一種基于頂部熱沉的混合集成電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

楊正男，王勇，歐長(zhǎng)江，胡梅，張雨萌

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十三研究所，安徽 合肥 230088；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十三研究所 微系統(tǒng)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230088)

0 引言

隨著衛(wèi)星裝備的小型化，整機(jī)系統(tǒng)的輕量化需求日趨明顯，對(duì)空間用抗輻射DC/DC 變換器的體積、重量和封裝結(jié)構(gòu)提出了更高的要求[1-3]，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的抗輻射DC/DC 變換器多為金屬封裝，體積和重量均已無(wú)法更好滿(mǎn)足對(duì)供電電源的使用需求。為了解決上述問(wèn)題，本文介紹了一種基于頂部熱沉的混合集成電源結(jié)構(gòu)，可將功率器件的熱傳導(dǎo)到頂部熱沉，解決功率器件散熱問(wèn)題，同時(shí)可為抗輻射混合集成電源尤其是負(fù)載點(diǎn)電源提供一種微型化、輕量化的解決方案。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于頂部熱沉的混合集成電源整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，該結(jié)構(gòu)整體采用陶瓷多層基板與金屬全包圍式頂部熱沉結(jié)合的形式，基板背面引出端采用CLGA、CBGA或CCGA。基板采用ALN 多層共燒陶瓷，內(nèi)部采用鎢導(dǎo)體進(jìn)行多層布線，實(shí)現(xiàn)基板正反面的互連；功率芯片采用倒裝焊工藝與基板互連，為保證芯片PAD 間距與基板的匹配，基板表層金屬化采用薄膜工藝；為保證產(chǎn)品通流，降低損耗，基板表面薄膜金屬化后采用直接鍍銅(Direct Planting Copper，DPC)工藝鍍厚銅；內(nèi)部電阻、電容、電感采用高溫回流焊接工藝；頂部的熱沉通過(guò)有機(jī)膠與陶瓷基板的邊緣粘接；熱沉和芯片背面、電感頂部之間采用導(dǎo)熱膠填充，以提高芯片和電感的散熱效果。

1.1 DPC 基板設(shè)計(jì)制作

為保證一體化陶瓷體的強(qiáng)度，采用HTCC 多層共燒陶瓷[4-5]，內(nèi)部采用鎢導(dǎo)體進(jìn)行多層布線，實(shí)現(xiàn)基板正反面的互連。ALN 陶瓷的熱導(dǎo)率達(dá)170 W/m·K 以上，可以較好地滿(mǎn)足功率器件的散熱需求；同時(shí)ALN 陶瓷的熱膨脹系數(shù)為4.5～5.0 ppm，與芯片的熱膨脹系數(shù)接近，使得ALN 基板與芯片之間產(chǎn)生的熱應(yīng)力小，為芯片的應(yīng)用提供了很好的基礎(chǔ)[6-8]。

為減小體積，提高組裝密度，芯片采用倒裝焊工藝，陶瓷基板表面導(dǎo)體如直接采用印制導(dǎo)體的方式制作，其印制導(dǎo)體的線寬、線間距等無(wú)法與芯片PAD 間距相匹配。為了解決上述問(wèn)題，基板表層導(dǎo)體采用薄膜工藝制備，同時(shí)，為保證產(chǎn)品通流，降低損耗，提高效率，在氮化鋁基板上，通過(guò)磁控濺射工藝進(jìn)行基板表面金屬化，先濺射種子層，沉積銅層，然后通過(guò)掩膜、光刻、選擇性電鍍銅等技術(shù)對(duì)導(dǎo)體進(jìn)行電鍍?cè)龊?，最后通過(guò)腐蝕、去膠等技術(shù)，形成導(dǎo)體厚度50 μm 以上DPC 基板[9]。DPC基板制作工藝示意圖如圖2 所示。

通過(guò)采用差異化鍍金的方式在一體化基板不同焊區(qū)表面鍍鎳金，對(duì)于金凸點(diǎn)焊區(qū)表面采用厚鍍層且厚度差值不超過(guò)4 μm，可確保芯片倒裝焊無(wú)虛接；對(duì)于其他無(wú)源器件的焊區(qū)表面采用薄鍍層，防止焊接工藝產(chǎn)生金脆風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 功率芯片倒裝焊設(shè)計(jì)與制作

功率芯片倒裝焊結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示，主要制作過(guò)程包括芯片PAD 金屬化、金凸點(diǎn)制備、倒裝、底部填充等[10]。

為了避免金凸點(diǎn)芯片PAD 鍵合界面產(chǎn)生金鋁金屬間化合物，產(chǎn)品在后續(xù)使用中存在產(chǎn)生科肯達(dá)爾空洞風(fēng)險(xiǎn)[11]，采用濺射工藝在芯片表面制作CuNiAg，用作金凸點(diǎn)與芯片PAD 之間的阻擋層。

金凸點(diǎn)制備的原理為超聲熱壓技術(shù)，基于金屬材料間的塑性變形，在超聲、壓力和溫度的作用下加速金屬原子間的相互擴(kuò)散，從而形成可靠的互聯(lián)界面。金凸點(diǎn)制備過(guò)程具體為：通過(guò)電火花放電將線徑為25 μm 的金絲燒制成球狀，通過(guò)調(diào)整電火花放電電流、放電時(shí)間等參數(shù)控制金球尺寸，金球直徑通常為線徑的2～3 倍。通過(guò)劈刀施加超聲和壓力，與金屬焊盤(pán)形成可靠的結(jié)合，隨后劈刀抬起一段距離，在水平方向快速來(lái)回扯動(dòng)，使金絲在金球頸部預(yù)先形成微裂痕，保證隨后線夾斷絲時(shí)，在金球頸部斷裂，通過(guò)該側(cè)向裁剪技術(shù)有效控制金絲的斷裂位置，增加不同金凸點(diǎn)之間的高度一致性。

金凸點(diǎn)與一體化基板焊接過(guò)程具體為：將一體化基板放到工作臺(tái)加熱，然后將芯片倒置，凸點(diǎn)向下反扣在基板焊盤(pán)上，通過(guò)超聲、鍵合力和溫度的共同作用，將芯片凸點(diǎn)鍵合到基板焊盤(pán)，使凸點(diǎn)金屬與焊盤(pán)金屬間發(fā)生互溶擴(kuò)散，從而使原子間產(chǎn)生吸引力形成互連。

倒裝芯片組裝后的底部填充方法基于毛細(xì)流作用，使填充膠水迅速流入倒裝芯片底部，其毛細(xì)流動(dòng)最小空間為10 μm，下填料沿著組裝后芯片的單邊或相鄰的兩邊涂布，形成底部填充料池，可提供在器件的支撐間隙中的毛細(xì)流，表面張力的作用拉動(dòng)芯片下的下填料。底部填充工藝不僅能夠增加芯片與一體化基板的粘結(jié)強(qiáng)度，補(bǔ)償芯片、金凸點(diǎn)以及一體化基板之間熱膨脹系數(shù)的差異，還可以避免芯片在溫度循環(huán)、機(jī)械沖擊等應(yīng)力作用下，出現(xiàn)金凸點(diǎn)與一體化基板結(jié)合力下降的問(wèn)題，同時(shí)還能夠起到塑封的作用，避免了芯片長(zhǎng)期暴露在有害氣氛環(huán)境中，導(dǎo)致鍵合點(diǎn)出現(xiàn)腐蝕，導(dǎo)致金凸點(diǎn)的連接失效。

1.3 一體化頂部熱沉設(shè)計(jì)

一體化頂部熱沉結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示，可采用高導(dǎo)熱率的AlSiC 材料，它主要包括互聯(lián)面、功率芯片腔、功率電感腔、器件腔。一體化熱沉的互聯(lián)面通過(guò)粘接膠與DPC 基板相貼合固定，功率電感與功率電感腔頂面、功率芯片與功率芯片腔頂面之間通過(guò)高導(dǎo)熱膠接觸相連，使功率電感以及功率芯片在正常工作的過(guò)程中所產(chǎn)生的熱量能夠通過(guò)頂部的熱沉及時(shí)導(dǎo)出，進(jìn)一步延長(zhǎng)電源模塊的使用壽命。

2 應(yīng)用實(shí)例

采用基于頂部熱沉的混合集成電源結(jié)構(gòu)研制的抗輻射POL 電源體積可減小為17 mm×17 mm×7.8 mm，重量?jī)H為7.5 g，功率密度高達(dá)320 W/in3。該電源具有輸出電流大、功率密度高、重量輕、抗輻射等特點(diǎn)，與同類(lèi)型產(chǎn)品相比，功率密度提升了52%，體積減小37%，重量降低53%。

3 結(jié)論

本文介紹了一種基于頂部熱沉的混合集成電源結(jié)構(gòu)，該電源結(jié)構(gòu)由一體化基板、無(wú)源器件、功率器件及散熱結(jié)構(gòu)件構(gòu)成，其中無(wú)源器件采用高溫焊料焊接到陶瓷一體化基板上，功率芯片植球后倒扣焊到一體化基板上，功率器件通過(guò)導(dǎo)熱膠與散熱結(jié)構(gòu)件粘接，散熱結(jié)構(gòu)件采用粘接膠粘接到一體化基板上。采用陶瓷一體化工藝結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)混合集成電源的微型化、輕量化；采用倒扣焊后的功率器件通過(guò)導(dǎo)熱膠將熱量傳遞到頂部的散熱結(jié)構(gòu)，便于用戶(hù)安裝結(jié)構(gòu)件進(jìn)行散熱。

該結(jié)構(gòu)在抗輻射POL 電源中應(yīng)用，驗(yàn)證了該方案的可行性，與同類(lèi)型產(chǎn)品相比，功率密度提升了52%，體積減小37%，重量降低53%。