大功率集成功放模塊工藝研究

劉 笛，劉洪濤，賀 玲

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第47研究所，沈陽(yáng) 110032）

大功率集成功放模塊工藝研究

劉 笛，劉洪濤，賀 玲

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第47研究所，沈陽(yáng) 110032）

在各類(lèi)電子產(chǎn)品集成度越來(lái)越高的前提下, 大功率集成功放模塊也同樣面臨著集成度不斷提高的要求，如何使其效率更高、體積更小、重量更輕、成本更低、更加可靠耐用已成為大功率集成功放模塊工藝研究的主要方向。文章介紹了一種大功率集成功放模塊的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及組裝工藝，功率半導(dǎo)體模塊是把若干分立器件及內(nèi)部電路進(jìn)行組裝，然后用環(huán)氧樹(shù)脂灌封而成的新型器件。它具有體積小、外殼與電極絕緣、可靠性高、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。在研制過(guò)程中借鑒了國(guó)外知名企業(yè)產(chǎn)品的工藝技術(shù)，同時(shí)也充分利用了現(xiàn)有成熟的半導(dǎo)體集成電路的封裝技術(shù)。

集成功放；模塊；環(huán)氧樹(shù)脂；灌封

1 引言

功率半導(dǎo)體模塊采用了很多新的封裝工藝，因而具有更多新的功能，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用[1]。如何使其效率更高、體積更小、重量更輕、成本更低、更加可靠耐用，一直是設(shè)計(jì)者不斷努力的方向。從一些國(guó)外功率模塊產(chǎn)品的剖析中，不難發(fā)現(xiàn)其模塊普遍采用了焊接技術(shù)和樹(shù)脂灌封工藝，并且有選擇地兼容了壓接和鍵合方面的合理技術(shù)。國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品采用焊接工藝不僅降低了模塊的成本，也增大了模塊內(nèi)部集成空間。采用灌封工藝則使模塊具有更好的防潮、耐輻射、耐氣候老化等性能，保證了維持芯片正常工作的基本外在條件。焊接和鍵合技術(shù)的合理應(yīng)用較好地處理了高壓器件熱學(xué)方面及電學(xué)方面存在的一些問(wèn)題。

2 集成功放模塊設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

功放模塊的制作技術(shù)在很大程度上借鑒了半導(dǎo)體集成電路的封裝技術(shù)[2]，其工藝流程圖如圖1。

圖1 功放模塊的工藝流程圖

其中關(guān)鍵工藝為焊接工藝、鍵合工藝和灌封工藝。焊接工藝多采用的是釬焊工藝，通過(guò)燒結(jié)的方式將芯片、基板和底座進(jìn)行連接，形成牢固的連接關(guān)系及良好的散熱通道。鍵合工藝主要有金絲球焊和楔焊工藝兩種，通過(guò)選用不同型號(hào)、材質(zhì)的鍵合絲進(jìn)行鍵合，以將芯片和引腳進(jìn)行有效的電連接[3]。灌封工藝則包括了灌注材料的選擇、灌注及固化和后處理等諸多工藝技術(shù)。

設(shè)計(jì)者在進(jìn)行功率模塊設(shè)計(jì)時(shí)，不但應(yīng)該考慮到各工藝的技術(shù)特點(diǎn)，還應(yīng)充分考慮以下因素：

（1）模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從電學(xué)和熱學(xué)角度出發(fā)，盡量縮短芯片和散熱器之間的距離及芯片和主電極引出端之間的距離，進(jìn)而形成良好的熱傳遞路徑，使模塊的熱阻最小且能保持良好的電性能，這一點(diǎn)在前期進(jìn)行功放模塊設(shè)計(jì)時(shí)尤為重要；

（2）模塊的材料選擇，應(yīng)充分考慮各部件之間熱膨脹系數(shù)的匹配問(wèn)題，以使各部件之間所受的應(yīng)力最小，進(jìn)而避免由于芯片的碎裂、鍵合絲的倒曲、脫鍵以及銅底板的彎曲所引起電性能失效、底板與散熱器接觸不良等諸多問(wèn)題。

3 模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝要求

功率模塊是將多只功率芯片按電路結(jié)構(gòu)連接封裝在一起的器件，它的電極與外殼絕緣，并多采用單面散熱的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)者從電學(xué)和熱學(xué)角度出發(fā)，應(yīng)盡量縮短管芯和散熱面之間的距離及管芯和主電極引出端之間的距離，這樣能有效減少模塊的熱阻，以防止熱量的聚集，造成芯片功能的失效?？紤]電力半導(dǎo)體器件的熱阻與功耗的關(guān)系如下式：

式中：Rja為模塊芯片與環(huán)境之間的熱阻、Rjc為模塊的結(jié)殼熱阻、Rca為模塊的外殼與散熱器之間的熱阻、Rcs為模塊外殼與散熱器之間的接觸熱阻、Rsa為散熱器的熱阻、Tj為模塊芯片的溫度、Ta為模塊的使用環(huán)境溫度、P為器件的通態(tài)耗散功率、VTM為器件的通態(tài)峰值壓降、IAV為額定通態(tài)平均電流、VTO為器件的門(mén)檻電壓。

由于不可避免地采用了絕緣陶瓷片和單面散熱結(jié)構(gòu)，進(jìn)而增加了熱阻，導(dǎo)致在同等芯片尺寸和同等散熱條件下，模塊的電流容量降低，因此對(duì)模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選取有較高要求[4]。

（1）芯片的選擇原則：模塊選擇的芯片應(yīng)滿(mǎn)足其電性能的要求，在滿(mǎn)足高電壓、大電流要求的同時(shí)，由于導(dǎo)通電阻的存在，應(yīng)該選擇導(dǎo)通電阻小的芯片，以降低模塊功率。模塊采用的絕緣材料的熱導(dǎo)率與銅底板的熱導(dǎo)率相差很多，所以模塊的熱阻比分立式半導(dǎo)體器件大很多，而模塊又是采用單面散熱，因此必須通過(guò)降低芯片的功耗來(lái)彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，這也就要求了芯片的通態(tài)壓降要盡可能的低。

（2）絕緣材料的選擇標(biāo)準(zhǔn)：功率模塊的外殼與電極絕緣，芯片與底板絕緣，還要利用底板散熱。因此，用于模塊的絕緣必須具有良好的絕緣（絕緣電壓≥2 500V）和導(dǎo)熱性能，能耐高溫并有良好的機(jī)械抗壓性能。常用的絕緣材料有Al2O3、BeO、AlN及DBC瓷片等，模塊常用絕緣材料及其特點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 模塊常用絕緣材料及其特點(diǎn)

（3）底板與電極的設(shè)計(jì)原則：要考慮底板散熱以及基板與底板間不會(huì)因溫度循環(huán)產(chǎn)生疲勞失效問(wèn)題。電極設(shè)計(jì)要注意焊接面平整度與平行度以及克服應(yīng)力的緩沖帶設(shè)計(jì)。

（4）灌封材料的選擇標(biāo)準(zhǔn)：灌封工藝是采用固體介質(zhì)未固化前排除空氣填充到元器件周?chē)?，達(dá)到加固和提高抗電強(qiáng)度的作用。因?yàn)楣β誓K內(nèi)部組件較多，每種材料的物理化學(xué)性能不相同，要保證它們?cè)陔姛岘h(huán)境中能穩(wěn)定工作，選用的灌封材料要能在-40℃～85℃下長(zhǎng)期使用，本身除了要有優(yōu)異的電氣絕緣、防潮、防水、防震、耐老化性能以及良好的物理機(jī)械性能外，還必須具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性。從產(chǎn)品特點(diǎn)來(lái)看，所選灌封材料還需要黏度適中、操作方便、可深層固化。

4 功放模塊的研制過(guò)程及組裝工藝

4.1 模塊的材料選擇

模塊的材料選擇主要從芯片的選取、絕緣材料的選取、底板與電極的選取三個(gè)方面來(lái)考慮：

（1）芯片的選取

該功放模塊選用的芯片是VDMOS芯片，其具有開(kāi)關(guān)速度快、輸入阻抗高、負(fù)溫度系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。該模塊采用的是多只VDMOS芯片并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，以保證模塊達(dá)到額定電流的容量。由于導(dǎo)通電阻的存在，應(yīng)該選擇導(dǎo)通電阻小的芯片型號(hào)，降低模塊功率損耗。

（2）絕緣材料的選取

模塊的絕緣片必須具有良好的絕緣和導(dǎo)熱性能，能耐高溫并有良好的機(jī)械抗壓性能。高性能AlN陶瓷熱導(dǎo)率高，價(jià)格較BeO便宜，線膨脹系數(shù)與Si接近，因此選取AlN陶瓷片作為模塊的絕緣導(dǎo)熱材料[5]。

（3）底板與電極的選取與設(shè)計(jì)

因?yàn)槟K采用單面散熱結(jié)構(gòu)，散熱底板和電極都采用紫銅鍍Ni材料，提高了導(dǎo)熱性與可焊性。同時(shí)主電極采用C形緩沖帶，既能減小應(yīng)力，又能減小分布電感。

4.2 模塊的組裝工藝

（1）芯片和基板的焊接：影響模塊質(zhì)量的主要因素是模塊的焊接質(zhì)量，特別是焊接空洞和虛焊的發(fā)生將嚴(yán)重影響模塊的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能。產(chǎn)生空洞的主要原因是焊接過(guò)程中助焊劑產(chǎn)生的氣泡沒(méi)有被徹底排除，進(jìn)而殘留在焊接面內(nèi)形成空洞，或者是在焊接前對(duì)焊接面的清洗不徹底，導(dǎo)致虛焊等。而且空洞的產(chǎn)生與焊接時(shí)的外部氣氛也有一定的關(guān)系，實(shí)踐證明，大氣軟焊料焊接的空洞較多，而真空焊接幾乎沒(méi)有空洞[6]。因此我們?cè)诤附庸ば蛑胁捎昧苏婵諢Y(jié)的工藝，并且在焊接的過(guò)程中利用特殊的模具在芯片上增加一定的壓力，以減少空洞的產(chǎn)生及燒結(jié)工程中芯片的偏移，特別注意的是在燒結(jié)前還需對(duì)組件及模具分別進(jìn)行超聲清洗。

（2）鋁絲鍵合：芯片之間互連以及芯片和電極之間連接均采用鋁絲鍵合方式。直徑幾百微米的鋁絲要長(zhǎng)期通過(guò)十幾安培的電流，較差的鍵合質(zhì)量會(huì)造成不良后果，導(dǎo)致引線鍵合點(diǎn)脫落引起模塊失效，因此要考慮電流容量和鋁絲直徑的關(guān)系，并提高鍵合質(zhì)量。按照已有的集成電路組裝工藝用1根100μm鋁絲連接?xùn)艠O，3根300μm鋁絲連接源極，芯片漏極通過(guò)燒結(jié)方式直接與電極相連，這樣既保證了通過(guò)的電流容量，又留有較大余量。有一些封裝廠家為了提高鍵合強(qiáng)度，通常在鍵合前對(duì)芯片進(jìn)行等離子清洗，但是對(duì)于功率器件芯片而言，實(shí)踐證明，過(guò)度的等離子清洗會(huì)對(duì)芯片本身的電性能造成不可逆的影響。

（3）環(huán)氧樹(shù)脂灌注：CK-6037環(huán)氧樹(shù)脂具有高填充性和可靠性，可以提高模塊的耐熱性、降低吸水率，且導(dǎo)熱性能好，非常符合模塊灌注要求。由于模塊在通態(tài)工作條件下，有一定的通態(tài)壓降，會(huì)產(chǎn)生功耗，如果灌注材料中存在氣泡，則會(huì)隨溫度升高而膨脹，致使內(nèi)部壓強(qiáng)增大，在模塊工作的溫度循環(huán)過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。因此必須保證灌封材料在按配比充分混合攪拌后進(jìn)行真空脫泡，此外灌注的速度、壓力和模具的溫度對(duì)于灌注的質(zhì)量也有著很大的影響，需要綜合性地考慮，灌注后需進(jìn)行固化脫模及后處理。

5 結(jié)束語(yǔ)

模塊的研制過(guò)程是在現(xiàn)有半導(dǎo)體集成電路封裝技術(shù)的基礎(chǔ)上，借鑒國(guó)外產(chǎn)品通行的功率模塊灌封材料及封裝技術(shù)。依據(jù)用戶(hù)提供的技術(shù)指標(biāo)與功能要求，充分考慮了加工工藝線的實(shí)際情況以確定加工工藝。模塊采用的MOSFET芯片是一種多子導(dǎo)電的單極型電壓控制器件，具有開(kāi)關(guān)速度快、高頻特性好、熱穩(wěn)定性?xún)?yōu)良、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)功率小、安全工作區(qū)寬、無(wú)二次擊穿問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)。模塊電路選擇導(dǎo)通電阻小的芯片，對(duì)所有芯片堅(jiān)持高溫電參數(shù)篩選和配對(duì)，使在同一模塊中的芯片參數(shù)一致；模塊采用焊接結(jié)構(gòu)形式，發(fā)熱器件通過(guò)AlN陶瓷基板直接和散熱底板相連，提高了散熱效果；絕緣材料選擇具有良好導(dǎo)熱性能的AlN基板，面積較小，很好地解決了疲勞失效問(wèn)題；金屬散熱底板和電極采用紫銅鍍Ni，提高導(dǎo)熱性能和可燒結(jié)性；環(huán)氧樹(shù)脂灌注時(shí)嚴(yán)格保證按準(zhǔn)確比例混合，進(jìn)行真空脫泡操作，保證固化后不產(chǎn)生氣泡；模塊在生產(chǎn)過(guò)程中采取防靜電措施，提高了模塊可靠性。

［1］葉建明，張安康. 功率模塊可靠性[J]. 電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，1999，（3）：15-17.

［2］吳濟(jì)鈞，吳莉莉. 電力半導(dǎo)體模塊及其工藝技術(shù)[J].半導(dǎo)體情報(bào)，2001，（1）：39-40.

［3］郭大琪. 陶瓷外殼封裝的高引線數(shù)（VLSI的自動(dòng)鋁絲楔焊鍵合）[J]. 微電子技術(shù)，1996，（5）：55-57.

［4］張明勛. 電力電子設(shè)備設(shè)計(jì)和應(yīng)用手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

［5］田民漢，梁形翔. 高熱導(dǎo)ALN——新型陶瓷基片及封裝材料[J]. 半導(dǎo)體情報(bào)，1999，（1）：49-52.

［6］李建軍，許振富，劉鳳莉. 提高晶閘管模塊焊接層質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，（2）：63-65.

作者介紹：劉 笛（1984—），男，遼寧沈陽(yáng)人，工學(xué)學(xué)士，助理工程師，東北大學(xué)工程碩士在讀，現(xiàn)在中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所從事封裝工藝研究及集成電路設(shè)計(jì)工作。

Study on High Power Integrated Amplif i er Module

LIU Di, LIU Hong-tao, HE Ling
（China Electronics Technology Group Corporation No.47Research Institute,Shenyang110032,China）

With All kinds of electronic products have become increasingly integrated, high-power integrated amplif i er module is also facing the same requirements and ever-increasing integration, how to make it more efficient, smaller, lighter weight, lower cost, more become a reliable and durable high-power amplifier module integrated on the main direction of the process.This paper describes a high-power amplif i er module integrated package design and assembly processes, power semiconductor module is internal to a number of discrete devices and circuits to be assembled, and then use the new devices made of epoxy potting. It has small size, shell and electrode insulation, high reliability, convenient installation. In the development process to learn from foreign well-known enterprise product technology, but also make full use of existing mature semiconductor integrated circuit packaging technologies.

∶ intergrated amolif i er; module; epoxy resin; potting package

TN405

A

1681-1070（2012）01-0021-04

2011-10-10