功率芯片高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠接技術(shù)研究*

紀(jì) 樂

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

功率芯片高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠接技術(shù)研究*

紀(jì) 樂

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

金錫焊料(20Sn/80Au)具有較高的導(dǎo)熱率，常用于功率器件的焊接。但金錫焊料的焊接溫度高，在焊接過程中常會(huì)導(dǎo)致砷化鎵(GaAs)功率芯片損壞，因此文中選用了一種新型的高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠代替金錫焊料，將功率芯片粘接在熱沉上，并進(jìn)行相關(guān)工藝研究。與金錫焊料相比，高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠具有相同的散熱能力，但生產(chǎn)操作溫度可由300 ℃下降至200 ℃。文中還研究了高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠固化參數(shù)與膠透率的關(guān)系，以及環(huán)境試驗(yàn)對芯片剪切力的影響。結(jié)果表明，高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠可以代替金錫焊料，滿足功率芯片的散熱和連接可靠性要求。

功率芯片；高導(dǎo)熱；膠接

引 言

多通道集成微波模塊微組裝技術(shù)是指在高密度多層互連基板上，采用微連接和封裝工藝把構(gòu)成電子電路的各種微型集成電路裸芯片及片式元器件組裝起來，形成多通道收發(fā)電路、高密度、高性能、高可靠微波模塊的綜合技術(shù)[1]。

隨著微電子產(chǎn)品向高密度化和高速化方向發(fā)展，一個(gè)電子系統(tǒng)的大部分功能都開始向單芯片集成，發(fā)熱量也逐漸增大,尤其是微波模塊中的功率芯片，隨著功率的增加和尺寸的縮小，芯片的電路溫度不斷上升，因而需要將芯片裝配在熱沉材料上以提高散熱效率[2-3]。

功率芯片與熱沉的裝配一般采用鉛錫(63Sn/37Pb)或金錫(20Sn/80Au)焊接。由于環(huán)境保護(hù)的需要，在世界范圍內(nèi)已經(jīng)禁止使用鉛錫焊料。金錫焊料成本高，焊接溫度高(約300 ℃)，對芯片等材料要求嚴(yán)格，應(yīng)用范圍受到很大限制。而采用高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠接技術(shù)實(shí)現(xiàn)功率芯片與熱沉的裝配，具有成本低、操作過程中載體不需加熱或加熱溫度很低、所需設(shè)備簡單、易控制、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作等一系列優(yōu)點(diǎn)，不但可以節(jié)約大量貴金屬原材料，減少能源消耗，還可以提高精密組件的生產(chǎn)效率，解決金屬基焊接難返修、易變形的技術(shù)難題[4-6]。

1 試驗(yàn)方法及過程

1.1 原料及儀器

原料包括GaAs功率芯片(3.8 mm × 4.2 mm × 0.1 mm)、鉬銅熱沉(80Mo/20Cu，12 mm × 10 mm × 0.5mm)、高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠(銀粉環(huán)氧膠，導(dǎo)熱率為65W/(m·K)和金錫焊片(Au20/Sn80，導(dǎo)熱率為58 W/(m·K)。

儀器包括三維輪廓儀、紅外熱像儀、真空芯片燒結(jié)爐、環(huán)氧貼片機(jī)和超聲斷層掃描測試儀。

1.2 測試件制作

用環(huán)氧貼片機(jī)在熱沉上點(diǎn)涂適量高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠，將功率芯片粘接在熱沉上。將熱沉放置在烘箱中，分別以不同的參數(shù)固化高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠，見表1。

表1 高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠固化參數(shù)

高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠固化后，將熱沉壓接在封裝測試殼體上，配以外圍電路用于測試，如圖1所示。

圖1 功率芯片測試電路

1.3 環(huán)境試驗(yàn)及測試方法

1.3.1 環(huán)境試驗(yàn)

參照GJB 548B—2005《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》，對測試件做熱沖擊和溫度循環(huán)試驗(yàn)，具體試驗(yàn)條件如下：

1)熱沖擊試驗(yàn)的溫度為-55 ℃～125 ℃，循環(huán)次數(shù)為15次；

2)溫度循環(huán)試驗(yàn)的溫度為-55 ℃～125 ℃，循環(huán)次數(shù)為100次。

1.3.2 膠層厚度測定

芯片裝入測試件固化后，通過三維輪廓儀測量得到芯片和導(dǎo)電膠的厚度H，測量芯片可以得到厚度H0，導(dǎo)電膠厚度h為兩者之差，即h=H-H0。

1.3.3 芯片剪切力測試

參照GJB 548B—2005《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》，對膠接芯片做破壞性剪切力測試，如圖2所示(芯片用同樣尺寸、底面鍍金的陶瓷片代替)。

圖2 芯片剪切力測試

1.3.4 膠透率測試

功率芯片導(dǎo)電膠粘的膠透率通過超聲斷層掃描儀測試，超聲傳輸介質(zhì)為純凈水，測試方向?yàn)樾酒趁妗?/p>

1.3.5 紅外成像測試

設(shè)定底板溫度為70 ℃，芯片漏壓額定10 V，調(diào)節(jié)柵壓控制電流為0.5 A、1.0 A、1.5 A和2.0 A，得到5 W、10 W、15 W和20 W的耗散功率。采用紅外熱像儀記錄不同耗散功率下芯片的表面溫度。

1.3.6 熱阻和導(dǎo)熱率計(jì)算[7]

熱阻計(jì)算公式：

Ps·θ=T2-T1

(1)

式中：Ps為耗散功率；θ為熱阻；T1為載體溫度；T2為芯片結(jié)溫。

導(dǎo)熱率計(jì)算公式：

(2)

式中：C為導(dǎo)熱率；θ為熱阻；S為芯片膠接/焊接面積；h為導(dǎo)電膠/金錫厚度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同固化參數(shù)對膠透率的影響

試驗(yàn)分別以3種不同的溫度對高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠進(jìn)行固化。由固化參數(shù)1#固化的功放芯片，膠透率在86% ～ 93%之間，典型圖片如圖3所示；由固化參數(shù)2#固化的功放芯片，膠透率在72%～90%之間，典型圖片如圖4所示；由固化參數(shù)3#固化的功放芯片，膠透率在92%～97%之間，典型圖片如圖5所示。

圖3 芯片膠透率(固化參數(shù)1#)

圖4 芯片膠透率(固化參數(shù)2#)

圖5 芯片膠透率(固化參數(shù)3#)

高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠的基材成分是環(huán)氧樹脂，在固化過程中經(jīng)歷溶劑揮發(fā)—初步交聯(lián)—深度固化3個(gè)步驟。較低的溫度有利于溶劑揮發(fā)，較高的溫度有利于深度固化，因此用固化方法3#中的兩段式加熱法可保證功率芯片有比較高的膠透率。固化方法1#溫度較低，高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠固化不完全，收縮不到位；固化方法2#溫度較高，溶劑還沒來得及完全揮發(fā)，高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠就固化了并將氣泡封在了膠體內(nèi)，因而膠透率不高。功率芯片的膠透率不高，容易在氣孔處形成局部高溫區(qū)域，如圖6所示。芯片局部高溫會(huì)使其可靠性下降甚至燒毀芯片，因此保證高的膠透率至關(guān)重要。

圖6 芯片局部高溫

2.2 膠層厚度對散熱性能的影響

從熱阻計(jì)算公式和導(dǎo)熱率計(jì)算公式可以看出，在耗散功率、芯片面積和載體溫度均是定值的情況下，芯片最終的結(jié)溫與高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠的厚度相關(guān)，且呈現(xiàn)反比關(guān)系。高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠的厚度直接影響芯片的表面溫度，相關(guān)試驗(yàn)及測試結(jié)果見表2。

表2 不同耗散功率下的芯片表面溫度

從表2可以看出，隨著膠層厚度的增加，芯片表面最高溫度呈現(xiàn)上升趨勢。一般來說，砷化鎵MMIC芯片的設(shè)計(jì)溫度為175 ℃，建議使用的最高溫度不超過150 ℃，因此高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠的厚度最好控制在30 μm以下，以保證芯片在20 W耗散功率下正?？煽康毓ぷ鳌Ｍ瑫r(shí)將23.7 μm的高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠與24.1 μm金錫進(jìn)行比較，在20 W耗散功率下，高導(dǎo)熱膠粘的芯片表面溫度僅比金錫焊接的芯片高2 ℃左右。由式(2)可以計(jì)算出高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠的導(dǎo)熱率為56.3 W/(m·K)，比標(biāo)稱值低，這與測量方法和高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠的膠透率有關(guān)。從總體來看，經(jīng)過控制的高導(dǎo)熱膠散熱能力已經(jīng)和金錫相當(dāng)，完全能夠滿足功率芯片的散熱需求。

2.3 環(huán)境試驗(yàn)對剪切力的影響

制作100只高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠粘接樣品，隨機(jī)抽取50只在環(huán)境試驗(yàn)前進(jìn)行剪切力測試，剩余50只在環(huán)境試驗(yàn)后進(jìn)行剪切力測試，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 溫沖前后芯片剪切力

圖7顯示了環(huán)境試驗(yàn)前后芯片的剪切力分布。環(huán)境試驗(yàn)前芯片剪切力的中位數(shù)值為132.50 N，最大值為236.75 N，最小值為70.230 N；環(huán)境試驗(yàn)后芯片剪切力的中位數(shù)值為114.78 N，最大值為200.18 N，最小值為62.43 N。環(huán)境試驗(yàn)后芯片的剪切力有整體下降的趨勢，但其最小值依然能夠滿足GJB 548B—2005《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》中不小于50 N的要求。因此，高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠粘功率芯片在機(jī)械連接上是安全可靠的。

3 結(jié)束語

本文使用一種高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠代替金錫，實(shí)現(xiàn)了功率芯片與熱沉的互聯(lián)，將操作溫度由300 ℃降到了200 ℃。通過固化參數(shù)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了90%以上的高膠透率的芯片粘接。同時(shí)，紅外成像測試和導(dǎo)熱率計(jì)算表明，高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠的散熱能力已基本和金錫相當(dāng)，能夠滿足功率芯片的散熱需求。環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證表明，功率芯片膠粘的剪切力能夠滿足國軍標(biāo)要求，具有長期工作的可靠性。

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紀(jì) 樂(1983-)，男，博士，主要從事微組裝工藝研究工作。

Research on Die Attaching Technology of Power Amplifier Chip Using Adhesive with High Thermal and Electrical Conductivity

JI Le

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

Gold-tin (20Sn/80Au) eutectic is the interconnecting material for common power devices because of its high thermal conductivity, but the high operation temperature often damages GaAs power amplifier. So in this paper, a novel fabrication technique is used to bond a power amplifier to heat sink using the adhesive with high thermal and electrical conductivity. Compared to Au/Sn welding material (300 ℃), this kind of adhesive, with the same cooling effect as Au/Sn welding material, has lower operation temperature (200 ℃). The relationship between the void ratio and solidification parameter, the effect of environment test on the die shear strength are also studied. The results show that this adhesive bonding technique can be used in the manufacturing of power modules with high reliability.

power amplifier chip; high thermal conductivity; adhesive bonding

2013-11-13

TG44

A

1008-5300(2014)03-0043-03