探討混合微電路用多芯組瓷介電容加固

劉 丹

（四川工業(yè)科技學院，四川 德陽 618000）

多芯組瓷介電容具有較大的單位安裝面積容量，所表現(xiàn)出來的抗機械應力非常強，等效串聯(lián)電阻不高，憑借上述優(yōu)勢在混合微電路中得到廣泛應用。多芯組瓷介電容的前身是片式瓷介電容器，經(jīng)過改造與創(chuàng)新研發(fā)出來的新電容器，多芯組瓷介電容應用到精密堆疊技術(shù)、金屬引線封裝技術(shù)等，同時具有片式瓷介電容器和多芯組瓷介電容所有的特性，。除此之外，瓷介電容的容量損耗在溫度頻率影響下具有很高的穩(wěn)定性，比較特殊的串聯(lián)結(jié)構(gòu)更是適合在高電壓極長時間運行中應用，高電流爬升速率的情況下，在大電流回路無感型結(jié)構(gòu)中具有較高的適用性。

1 多芯組瓷介電容器

1.1 多芯組瓷介電容結(jié)構(gòu)與原理

所謂瓷介電容，使用高介電常數(shù)電容器陶瓷，將其擠壓之后形成圓管、圓片、圓盤等介質(zhì)，利用燒滲法在陶瓷上以銀鍍?yōu)殡姌O制作而成，主要有高頻瓷介、低頻瓷介兩種類型（瓷介電容器參數(shù)見表1、表2、表3）[1]。作為電容器，正電容溫度系數(shù)較小，在高穩(wěn)定振蕩回路當中使用，也被當作回路電容器、墊整電容器加以應用（電容器結(jié)構(gòu)見圖1）。多芯組瓷介電容是以片式瓷介電容器為基礎，此類片式瓷介電容器在電子無源元件領域具有應用范圍廣的特點，然而體積比較小，所以無法達到大容量的效果。經(jīng)過創(chuàng)新與改造之后，多芯組瓷介電容器將片式瓷介電容器容量方面的問題解決，利用精密堆疊（原理見圖2）和封裝技術(shù)（見圖3），達到大容量效果，也使可靠性得到顯著提升[2]。

表1 電容量溫度系數(shù)（10-6/℃）

表2 電容量溫度特性

表3 電容量允許偏差

圖1 電容器結(jié)構(gòu)

圖2 精密堆疊技術(shù)原理

圖3 封裝技術(shù)原理

混合微電路中的多芯組瓷介電容為了保證其應用效果，一般需要予以加固，處于電容器制造領域，實際生產(chǎn)環(huán)節(jié)往往采用多芯組徑向引線這一工藝，如此一來多層瓷介電容器的性能與功能得到完善，多芯組徑向引線多層瓷介電容器生產(chǎn)與制造環(huán)節(jié)，電容器可能存在的外形尺寸超差這一現(xiàn)象便可得到解決[3]。夾具經(jīng)過優(yōu)化設計后疊片處理之后的多芯組徑向引線多層瓷介電容器，不僅可以保證外形尺寸的規(guī)范性與整齊性，還有效控制了尺寸偏差。

1.2 多芯組瓷介電容類型

多芯組瓷介電容包括片式瓷介電容器、高溫焊料和金屬引線，組成了電容結(jié)構(gòu)。①片式瓷介電容器是以普通的陶瓷電容器為主，并利用超過1 206 尺寸的電容器堆疊；②高溫焊料的焊料是以共晶溫度在240 ℃焊料為主，常見的有高鉛焊料和錫銻焊料，此類材料支持二次焊接；③選擇金屬引線時，應該重點檢查是否匹配片式瓷介電容器、高溫焊料，可伐、錫磷青銅這一類材質(zhì)的金屬引線最為常見[4]。

根據(jù)片式瓷介電容器所使用的堆疊方法，多芯組瓷介電容有平行堆疊、垂直堆疊兩種類型，而且分別體現(xiàn)出不同的優(yōu)勢與不足[5]。采用垂直堆疊方式的多芯組瓷介電容器，若干片式電容器在堆疊之后，重心不會發(fā)生改變，然而安裝面積卻會不斷增加，導致高密度組裝難度提升。

多芯組瓷介電容根據(jù)金屬引線成型這一方法，也被劃分為幾種不同的類型，如“C”型、“J”型、“L”型等。每一種金屬引線都會在相應的行業(yè)領域得到廣泛應用，混合微電路使用的多芯組瓷介電容，通常以“C”型、“J”型多芯組瓷介電容為主。

2 多芯組瓷介電容焊接加固實驗與分析

2.1 焊接加固原因

混合微電路本身可靠性比較高，在生產(chǎn)制造階段基板主要利用氧化鋁、氮化鋁陶瓷，而焊盤則選擇鈀銀、鉑銀兩種材料。使用鉛錫焊料在基板焊盤上方焊接多芯組瓷介電容，因為焊盤材質(zhì)以銀為主，所以經(jīng)過回流焊、高溫存儲和老煉工藝的加工之后，受到熱應力作用影響鉛錫焊料、焊盤必然會有Ag3Sn、Ag4Sn 等金屬間化合物產(chǎn)生，這種金屬間化合物表現(xiàn)出不良脆性，一旦金屬間化合物過量，便會對焊接界面電氣性能、機械性能造成干擾[6]。經(jīng)過以往焊接實踐，發(fā)現(xiàn)回流焊作業(yè)之后，焊盤金屬間化合物的厚度在2～5 μm 之間，處于150 ℃的高溫存儲環(huán)境，當時間不斷延長，金屬間化合物厚度也會隨之增加，當存儲時間達到24 h 之后，金屬間化合物的厚度將增加至5～8 μm，如果存儲時間延長至360 h，測量發(fā)現(xiàn)金屬間化合物厚度將會達到16～20 μm。如果檢測發(fā)現(xiàn)金屬間化合物厚度已經(jīng)大于20 μm，那么處于環(huán)境應力、機械應力多重條件下，焊接界面也會發(fā)生應力集中這一現(xiàn)象，增加了基板焊盤上方多芯組瓷介電容脫落的概率[7]。

2.2 焊接加固方法

要想切實提高混合微電路多芯組瓷介電容的穩(wěn)定性與可靠性，建議在加固時采用硅橡膠、環(huán)氧樹脂，對于已經(jīng)焊接完畢的組件實施加固處理，可有效提高安裝強度與可靠性。盡管輔助加固的方法也可以進一步改善焊接組件在安裝時的強度，但是如果具體的加固位置、采用加固方法和加固膠量沒有合理控制，便會在環(huán)境應力篩選過程中，導致所有材料之間的熱膨脹系數(shù)偏差，從而造成組件失效[8]。針對多芯組瓷介電容加固方法進行設計，必須合理分析設計與實操是否可行、輔助加固實際的占用面積、多種類多芯組瓷介電容的兼容性。針對這三點因素，不建議針對設計中所運用的相應加固載片、粘接劑，采用以下兩種加固方法。第一種加固方法，是將載片直接粘接在多芯組瓷介電容的底部，隨后載片、片式瓷介電容器的中間接觸部位涂抹粘接劑。第二種加固方式是在多芯組瓷介電容的一側(cè)貼裝載片，并利用粘接劑將載片、基板和載片、片式瓷介電容器連接。

上述兩種加固方法，分別在環(huán)境應力、機械應力的環(huán)境下展開仿真分析，選擇典型平行堆疊瓷介電容器、可伐材質(zhì)的金屬引線以及鉛錫焊料。首先進行溫度循環(huán)應力條件下的仿真分析，這里提到的溫度循環(huán)，屬于非常嚴格的環(huán)境應力篩選，按照《微電子器件實驗方法和程序》中的相關要求，確定仿真分析的方法之后，將條件設置為C，溫度在－65 ℃～150 ℃之間，兩種加固方法分別展開仿真分析，其間觀察完整溫度循環(huán)期間產(chǎn)生的應力分布情況。根據(jù)仿真分析發(fā)現(xiàn)，處于溫度循環(huán)期間，多芯組瓷介電容器所呈現(xiàn)的最大應力點，全部位于加固膠、瓷介電容器之間的接觸位置，第一種加固方法的電容本體所能夠承受的應力最大是34.5 MPa，第二種加固方法的電容本體承受應力最大只有14.0 MPa。瓷介電容器陶瓷層壓燒結(jié)通常會選擇鈦酸鋇一類材質(zhì)，拉伸強度控制為70 MPa，處于溫度循環(huán)期間，電容承受應力不會超過陶瓷材料呈現(xiàn)的抗拉強度。為了提高混合微電路的可靠性，建議溫度循環(huán)建議超過100 次，材料反復溫度循環(huán)時，極有可能發(fā)生疲勞、應力集中等現(xiàn)象，所以第一種加固方式可能造成電容器損壞。

針對上述兩種加固方法展開機械沖擊應力仿真分析，混合微電路篩選、使用期間，必然會面臨機械應力，機械沖擊、離心加速度是多芯組瓷介電容穩(wěn)定性的直觀影響因素。同樣需要參考《微電子器件實驗方法和程序》中提出的要求，確定加固方法，選擇條件B，將峰值加速度設定為1 500 g，其中g(shù) 代表的是重力加速度，脈沖寬度則設定為0.5 ms，對于兩種加固方法同時施加機械沖擊載荷，觀察機械沖擊應力分布情況。根據(jù)仿真操作的觀察，施加機械沖擊載荷兩種加固方法對應的最大應力點位置雖然不同，但是最大應力都比較小。第一種加固方法的最大應力點位于金屬引線，測算最大應力是3.9 MPa。第二種加固方法最大應力點位于載片，測算其最大應力是6.0 MPa。綜合分析之后可以確定，兩種加固方法施加機械沖擊載荷，其間不會發(fā)生多芯組瓷介電容受損的問題。

3 多芯組瓷介電容加固穩(wěn)定性效果檢驗

按照以上提出的第二種加固方法，多芯組瓷介電容屬于常規(guī)形式的平行堆疊瓷介電容器，根據(jù)《混合集成電路通用規(guī)范》中提出的要求，可以對多芯組瓷介電容加固穩(wěn)定性效果進行檢驗。分別從高溫存儲、溫度循環(huán)、機械沖擊、掃頻振動、隨機振動、恒定加速度5 個維度進行檢驗，確定檢驗方法之后，按照上面5個維度依次設定檢驗條件如下：①存儲溫度為-150℃，168 h；②溫度循環(huán)條件為C，進行100 個循環(huán)；③機械沖擊設定為條件B；④掃頻振動設定為條件A；⑤隨機振動設定為條件F；⑥恒定加速度為49 500 m/s2，Y1方向。結(jié)束檢驗之后，測定多芯組瓷介電容加固功能，可以確定最終加固效果滿足使用要求。

4 結(jié)論

綜上所述，混合微電路使用多芯組瓷介電容器，在安裝環(huán)節(jié)為了保證可靠性，針對多芯組瓷介電容一般會采取加固的方法。因為瓷介電容的材料不同，所以選擇加固方法也有所區(qū)別。針對不同的加固方法，工作人員應該展開綜合分析，探討每種加固方法的優(yōu)缺點，必要的情況下還可以展開試驗分析，選擇適用性與可靠性最高的加固方法，保證多芯組瓷介電容安裝可靠性的同時，也可以為混合微電路的運行提供支持，繼而有效提升多芯組瓷介電容加固水平，也為今后瓷介電容組裝階段的加固處理積累經(jīng)驗。