紅外探測(cè)器封裝結(jié)構(gòu)電學(xué)框架設(shè)計(jì)方法

馬 靜,袁羽輝，徐長(zhǎng)彬

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

紅外焦平面陣列在工業(yè)、軍事、醫(yī)療以及科學(xué)研究領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,比如夜視、紅外探測(cè)和追蹤。在整個(gè)紅外成像系統(tǒng)中,杜瓦封裝起著非常關(guān)鍵的作用。制冷型紅外探測(cè)器封裝結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)相比,其對(duì)溫度適配性、導(dǎo)熱率、材料強(qiáng)度等都有更高的要求[1]。在封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,電學(xué)框架設(shè)計(jì)是將混成芯片的電學(xué)信號(hào)引出到杜瓦內(nèi)部接口,再由杜瓦內(nèi)部接口轉(zhuǎn)接到外部接口,實(shí)現(xiàn)紅外探測(cè)器組件電性能引出。電學(xué)框架作為與混成芯片直接接觸的部分,其對(duì)電學(xué)性能、導(dǎo)熱、力學(xué)強(qiáng)度等都有極高的要求[2],是杜瓦封裝的關(guān)鍵部件。本文就電學(xué)框架加工采用的幾種材料進(jìn)行性能對(duì)比,結(jié)合實(shí)際應(yīng)用闡述不同情況下的框架材料選取規(guī)則,并針對(duì)不同材料及不同結(jié)構(gòu)類型的電學(xué)框架概述框架設(shè)計(jì)方法。

2 常用電學(xué)框架加工材料

電學(xué)框架作為紅外探測(cè)器杜瓦封裝結(jié)構(gòu)的一部分,其需要具備對(duì)高低溫適配性強(qiáng)、導(dǎo)熱率高、電阻率低、熱膨脹系數(shù)低以及較高的機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn),另外其還需具備較強(qiáng)的工藝加工性,能夠?qū)崿F(xiàn)批量投產(chǎn)加工。因此在框架加工材料的選取上就需要考慮以上各種性能特點(diǎn)。

目前在紅外杜瓦封裝應(yīng)用中,陶瓷材料封裝高可靠、耐高頻、耐高溫、氣密性強(qiáng)[3],是主要電學(xué)框架引出封裝形式,最常使用的有Al2O3、AlN、SiC 等。電學(xué)框架采用在這幾種陶瓷襯底上設(shè)計(jì)導(dǎo)帶引線的方法,達(dá)到混成芯片電學(xué)引出的目的。在超大面陣規(guī)模拼接封裝結(jié)構(gòu)中,陶瓷框架因其加工工藝的局限,無法將框架無限做大,也可采用PCB電路板作為電學(xué)框架設(shè)計(jì)。因在大多數(shù)電學(xué)框架設(shè)計(jì)中最常采用的材料仍是陶瓷材料,故以下加工材料的對(duì)比,仍主要集中在幾種陶瓷材料的性能對(duì)比。圖1、圖2分別展示了拼接結(jié)構(gòu)與單模塊結(jié)構(gòu)的封裝示意圖。

圖1 Sofradir公司1500×2探測(cè)器拼接結(jié)構(gòu)

圖2 Raytheon公司ORION 2k×2k單模塊

氧化鋁性能穩(wěn)定,加工原料獲取渠道廣泛,且技術(shù)成熟,應(yīng)用廣泛,在陶瓷封裝基片市場(chǎng)上可占到90 %的份額[4]。Al2O3其熱膨脹系數(shù)較AlN、SiC要高,其介電常數(shù)與AlN相當(dāng),但是其導(dǎo)熱系數(shù)不甚理想。目前國(guó)內(nèi)可加工產(chǎn)線多,且工藝穩(wěn)定,加工工藝精度好,適合進(jìn)行大批量加工。

氮化鋁與氧化鋁相比,各方面性能都更為優(yōu)越,非常適合作為電學(xué)框架基板材料,其熱膨脹系數(shù)與Si和GaAs也匹配良好。但是其制作工藝燒結(jié)溫度在1600～1800 ℃,燒結(jié)環(huán)境嚴(yán)苛,工藝難度大,成本高,目前國(guó)內(nèi)只有少數(shù)產(chǎn)線具備加工能力,但是周期長(zhǎng)、價(jià)格貴,且加工工藝精度不高。

碳化硅與硅的熱膨脹系數(shù)非常接近,可最大程度減小因熱失配造成的應(yīng)力問題,且其硬度大,導(dǎo)熱好。但該種材料目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)線少,且制備技術(shù)與國(guó)外有一定差距,目前如作為電學(xué)基板加工材料,國(guó)內(nèi)產(chǎn)線制備基板的絕緣性能并不好,無法達(dá)到絕緣要求。

表1、表2為幾種材料的參數(shù)和性能對(duì)比。從表格分析可發(fā)現(xiàn),氧化鋁電學(xué)性能較好,其導(dǎo)熱和力學(xué)強(qiáng)度比氮化鋁和碳化硅差,但是其易于加工,生產(chǎn)周期比較好保證；氮化鋁在導(dǎo)熱和力學(xué)強(qiáng)度上優(yōu)于氧化鋁,其電學(xué)性能略遜于氧化鋁,目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)線可滿足加工需求,但加工工藝有一定難度,因此其加工周期也長(zhǎng)于氧化鋁；碳化硅其電學(xué)性能比其他兩種材料都差,雖然其在導(dǎo)熱和力學(xué)強(qiáng)度上有優(yōu)勢(shì),但是目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)線其框架加工能力無法保證電學(xué)絕緣性,因此該種材料受限于目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)線水平無法作為電學(xué)框架材料進(jìn)行應(yīng)用。

除以上幾種陶瓷材料框架,根據(jù)芯片規(guī)模及杜瓦封裝結(jié)構(gòu)也可采Si片、寶石片以及PCB電路板等進(jìn)行電學(xué)框架設(shè)計(jì)。

表1 陶瓷框架材料參數(shù)對(duì)比

表2 陶瓷框架材料性能對(duì)比

3 針對(duì)應(yīng)用需求的電學(xué)框架加工工藝及加工材料選取

電學(xué)框架的首要目的是將探測(cè)器混成芯片的電學(xué)信號(hào)引出,保證其信號(hào)完整性和電源完整性；另外在很多杜瓦封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,電學(xué)框架還要作為杜瓦與混成芯片直接接觸的襯底,需要為芯片提供機(jī)械支撐,因此還需考慮框架與芯片之間的材料匹配,最終保證互聯(lián)后低應(yīng)力、低形變。

通?？蚣芗庸すに嚳煞譃閱螌雍投鄬?材料的選取可以根據(jù)上一節(jié)的介紹選取氧化鋁、氮化鋁、PCB電路板、Si等?？蚣芄に嚥捎脝螌踊蚨鄬?主要由杜瓦結(jié)構(gòu)的電學(xué)引出管腳數(shù)量決定；而材料選取的標(biāo)準(zhǔn),主要由混成芯片規(guī)模、杜瓦封裝結(jié)構(gòu)、對(duì)制冷和形變的要求等多方面因素決定。

3.1 單層框架

杜瓦封裝結(jié)構(gòu)外引線數(shù)量多于芯片電學(xué)引出所需數(shù)量時(shí),電學(xué)框架設(shè)計(jì)無需合并管腳,此類情況電學(xué)框架設(shè)計(jì)均可采用單層框架結(jié)構(gòu)。圖3為SCD公司單層電學(xué)框架結(jié)構(gòu)。

圖3 SCD公司單層電學(xué)框架結(jié)構(gòu)

目前在混成芯片規(guī)模小于20 mm×15 mm的杜瓦封裝結(jié)構(gòu)中,其電學(xué)框架大部分均采用單層Al2O3框架[1]。首先該規(guī)格的芯片電學(xué)引出管腳較少,杜瓦結(jié)構(gòu)對(duì)外電學(xué)引出管腳無需電學(xué)框架合并即可滿足引出要求,因此可采用單層框架結(jié)構(gòu)；其次芯片規(guī)模小,采用Al2O3材料加工與混成芯片互聯(lián)后應(yīng)力可滿足大多數(shù)常規(guī)應(yīng)用下的應(yīng)力要求,另外Al2O3陶瓷材料工藝成熟,加工周期快、成本低,因此在小規(guī)模的混成芯片杜瓦封裝電學(xué)框架設(shè)計(jì)中,絕大部分均采用單層Al2O3框架設(shè)計(jì)。

在部分對(duì)于制冷和形變要求非常嚴(yán)格的應(yīng)用中,因?yàn)锳lN其熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱率更好,其電學(xué)框架設(shè)計(jì)可考慮采用單層AlN框架。但AlN陶瓷需采用高溫?zé)Y(jié),其加工成本會(huì)高于Al2O3框架。

在小規(guī)模芯片多片拼接應(yīng)用中,如果芯片拼接后電學(xué)引出管腳無需合并,其數(shù)量少于封裝結(jié)構(gòu)的外引線數(shù)量,電學(xué)框架設(shè)計(jì)仍可采用單層框架結(jié)構(gòu)。該種小規(guī)模芯片的拼接結(jié)構(gòu)多采用電學(xué)框架作為混成芯片的拼接基板,正常Al2O3或AlN材料因?yàn)橹谱鞴に嚨臒Y(jié)尺寸受限,已無法作為拼接基板使用,且選用的材料需充分考慮多片混成芯片拼接后的低應(yīng)力、低損傷以及導(dǎo)熱問題可采用Si片或藍(lán)寶石片等尺寸限制小的材料作為電學(xué)框架設(shè)計(jì)。

3.2 多層框架

當(dāng)混成芯片電學(xué)引出管腳數(shù)量多于杜瓦封裝結(jié)構(gòu)外引線數(shù)量,就需要對(duì)混成芯片的引出信號(hào)進(jìn)行合并引出。電學(xué)框架設(shè)計(jì)既要保證芯片電學(xué)引出需求,又要保證杜瓦封裝電學(xué)引出結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)緊湊,此類情況電學(xué)框架設(shè)計(jì)均需采用多層框架結(jié)構(gòu)。圖4為雷神公司多層框架結(jié)構(gòu)。

圖4 雷神公司多層框架結(jié)構(gòu)

多層共燒陶瓷因其良好的導(dǎo)熱特性以及較低的熱膨脹系數(shù),在需要采用多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的電學(xué)框架中廣泛應(yīng)用,其制造工藝根據(jù)燒結(jié)溫度可分為低溫共燒陶瓷(LTCC)和高溫共燒陶瓷(HTCC)兩種。低溫共燒的溫度一般為800～980 ℃,其生瓷帶材料為玻璃陶瓷混合體,導(dǎo)帶漿料可以為Cu、Au、Ag等,電阻率低,電學(xué)性能好,且制備工藝成熟,是市場(chǎng)上廣泛使用的多層陶瓷共燒工藝,但其缺點(diǎn)是熱膨脹系數(shù)高、導(dǎo)熱差[5]。高溫共燒的溫度一般為1650～1850 ℃,其生瓷帶材料為氧化鋁或氮化鋁陶瓷,導(dǎo)帶漿料因其燒結(jié)熔點(diǎn)高可選用W、Mo、Mn等,其性能與氧化鋁、氮化鋁相似,但是其缺點(diǎn)是電阻率高、電性能不如LTCC,且目前國(guó)內(nèi)制備工藝難度大,氮化鋁HTCC成品率較低。

氧化鋁LTCC其熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱和強(qiáng)度均存在不足,但是其電學(xué)性能優(yōu)于HTCC,在電學(xué)框架僅用于電學(xué)引出的設(shè)計(jì)中可采用該種工藝,且其工藝成熟度好,加工周期短,因此在多層框架設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。

氮化鋁HTCC其熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱和強(qiáng)度與其他材料比均有優(yōu)勢(shì),在電學(xué)框架即用作基板又用作電學(xué)引出時(shí)氮化鋁HTCC是合適的選擇,該種選擇在實(shí)際應(yīng)用中已得到廣泛應(yīng)用驗(yàn)證。但是其框架加工周期長(zhǎng),成品率低,且其電導(dǎo)率低不適用于高頻組件,在杜瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要多方面衡量進(jìn)行選型。

在超大規(guī)模拼接封裝結(jié)構(gòu)中多層陶瓷框架其加工極限尺寸已無法滿足封裝結(jié)構(gòu)電學(xué)框架需求,此種情況可考慮采用PCB多層電路板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),既能滿足拼接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又可保證電學(xué)合并引出需求。

表3為以上各種框架加工工藝和材料的選取比較。

表3 電學(xué)框架工藝選型

4 電學(xué)框架布線設(shè)計(jì)

電學(xué)框架設(shè)計(jì)需要滿足杜瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求,其中包括機(jī)械尺寸、熱性能、機(jī)械強(qiáng)度以及電學(xué)性能等多個(gè)方面。根據(jù)這幾個(gè)方面先對(duì)材料和工藝進(jìn)行選型,選型確定才可確定其布線設(shè)計(jì)的電性能參數(shù),包括導(dǎo)線電阻、絕緣電阻等。根據(jù)電性能參數(shù)和廠家提供的設(shè)計(jì)規(guī)則,才可開展布線設(shè)計(jì)。

布線設(shè)計(jì)要滿足信號(hào)完整性和電源完整性原則,信號(hào)完整性即指信號(hào)無損完整的傳輸,電源完整性即指供電滿足芯片需求。為了做到以上幾點(diǎn),在布線設(shè)計(jì)首先需要考慮走線導(dǎo)通電阻以及走線間絕緣電阻,可通過設(shè)計(jì)走線寬度、走線間間距來調(diào)整導(dǎo)通電阻和走線間絕緣電阻；其次需要考慮數(shù)模信號(hào)隔離,可通過采用數(shù)字、模擬信號(hào)分層或分區(qū)域設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)隔離；同時(shí)還需考慮重要信號(hào)的屏蔽隔離,可用上下層布線采用地線層進(jìn)行屏蔽隔離。多層布線示意圖如圖5所示。

圖5 多層布線示意圖

在布線設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)分層進(jìn)行選擇,需考慮框架加工厚度對(duì)分層的限制；對(duì)鍵合區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì),需結(jié)合具體鍵合工藝；布線的設(shè)計(jì)還需滿足廠家的加工需求。只有把布線設(shè)計(jì)和杜瓦具體工藝結(jié)合考慮才能使電學(xué)框架設(shè)計(jì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 總 結(jié)

本文闡述了杜瓦封裝結(jié)構(gòu)中電學(xué)框架的設(shè)計(jì)方法,從材料選擇開始,再到工藝選擇,最終到布線設(shè)計(jì),介紹了電學(xué)框架設(shè)計(jì)的全過程。目前在小規(guī)模杜瓦結(jié)構(gòu)電學(xué)框架設(shè)計(jì),其工程應(yīng)用中多采用單層氧化鋁框架,加工周期短、工藝穩(wěn)定成熟；在大規(guī)模杜瓦結(jié)構(gòu)電學(xué)框架設(shè)計(jì)可采用多層氧化鋁、多層氮化鋁、PCB多層電路板等；以上各種選型的電學(xué)框架布線設(shè)計(jì)都要滿足信號(hào)完整性和電源完整性,且需要符合杜瓦工藝及廠家加工工藝。綜合考慮以上各方面才能設(shè)計(jì)出即滿足電學(xué)引出需求又滿足杜瓦結(jié)構(gòu)要求的電學(xué)框架。