微電路模塊板級(jí)磁芯組裝失效機(jī)理與工藝設(shè)計(jì)

黃國(guó)平，湯春江，李 剛，唐 鍇

（華東微電子技術(shù)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

整機(jī)產(chǎn)品的升級(jí)換代、高可靠的軍事及航空航天領(lǐng)域均使用微電路模塊，這也順應(yīng)了裝備小型化的發(fā)展趨勢(shì)。裝備的小型化會(huì)給微電路模塊帶來(lái)高功率密度和高密度布局等挑戰(zhàn)，如封裝尺寸小、質(zhì)量輕、具有雙面導(dǎo)（散）熱結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)的DirectFET系列封裝功率MOSFET器件，就被大量地應(yīng)用于高功率密度的微電路模塊中[1]。這些不斷更新的要求對(duì)微電路模塊的設(shè)計(jì)和工藝提出了更新的發(fā)展要求和思路。傳統(tǒng)的變壓器體積大、漏感嚴(yán)重、效率低，難以滿足高功率密度電源模塊的要求，故現(xiàn)在的電源模塊普遍采用平面變壓器[2]。而平面變壓器所依賴的磁集成技術(shù)就是解決高功率密度和高密度布局等問(wèn)題的有效途徑，它是電源技術(shù)進(jìn)步的里程碑。磁集成技術(shù)是通過(guò)板級(jí)磁芯的廣泛應(yīng)用而落實(shí)在電路板上的。同組的兩片板級(jí)磁芯通過(guò)粘接的組裝工藝安裝在PCB板中，其中的磁芯繞組內(nèi)置在PCB板的對(duì)應(yīng)基材中，極大地提高了電路的集成度并縮小了產(chǎn)品的體積[3-5]。微電路模塊中板級(jí)磁芯的應(yīng)用實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 微電路模塊中板級(jí)磁芯的應(yīng)用實(shí)物圖

當(dāng)今，為了降低微電路模塊的體積和提高電源的功率密度，在微電路模塊的PCB電路上大量使用了磁集成技術(shù)，從而使微電路模塊板級(jí)磁芯的使用呈現(xiàn)井噴之勢(shì)。板級(jí)變壓器和電感器的載體就是板級(jí)磁芯，其組裝方式主要為磁芯的粘接工藝。在研制生產(chǎn)中，特別是產(chǎn)品在高溫貯存和溫度循環(huán)的篩選過(guò)程中，板級(jí)磁芯出現(xiàn)粘接面微裂的比例達(dá)到40%～50%。板級(jí)磁芯粘接面的微裂導(dǎo)致大量產(chǎn)品出現(xiàn)效率下降的問(wèn)題，典型值下降1%～2%，導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢，這嚴(yán)重影響微電路模塊的研制、生產(chǎn)和交貨。開(kāi)帽后發(fā)現(xiàn)磁芯粘接面強(qiáng)度并沒(méi)有篩選前的高粘接強(qiáng)度，而是粘接不牢固，存在微裂紋，造成板級(jí)磁芯電感量下降，從而造成產(chǎn)品效率指標(biāo)的下降。板級(jí)磁芯粘接面開(kāi)裂示意圖如圖2所示。

圖2 板級(jí)磁芯粘接面開(kāi)裂示意圖

針對(duì)板級(jí)磁芯的粘接缺陷，從磁芯粘接膠組成優(yōu)化和灌封工藝優(yōu)化等方面進(jìn)行的研究還比較少。本文通過(guò)對(duì)板級(jí)磁芯粘接失效機(jī)理的剖析，以及對(duì)磁芯粘接膠組成和灌封工藝的應(yīng)用研究，對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行了探索，形成高可靠板級(jí)磁芯組裝工藝技術(shù)。

1 板級(jí)磁芯粘接面開(kāi)裂機(jī)理分析

在開(kāi)關(guān)電源等微電路模塊中，磁性器件占到開(kāi)關(guān)電源體積和重量的30%～40%，降低磁性器件的體積和重量變得尤為重要[6]。板級(jí)磁芯就能滿足此類(lèi)要求，磁芯主要為EI、UI、EE及分段式磁芯，磁芯粘接至印制板時(shí)多采用有機(jī)粘接膠[7]。不論是EI型還是EE型板級(jí)磁芯，均可分為上磁芯和下磁芯進(jìn)行粘接。對(duì)于微電路模塊，其內(nèi)部典型的板級(jí)磁芯粘接界面如圖3所示。

圖3 典型的板級(jí)磁芯粘接界面

對(duì)于板級(jí)磁芯粘接面之間發(fā)生微裂紋的缺陷，本文用板級(jí)磁芯的電感量變化來(lái)表征，當(dāng)板級(jí)磁芯電感量下降達(dá)到10%及以上時(shí)，說(shuō)明板級(jí)磁芯粘接面已開(kāi)裂失效，會(huì)對(duì)產(chǎn)品的效率、電性能造成不良影響。板級(jí)磁芯粘接面發(fā)生微裂紋的缺陷越惡劣，其磁芯電感量下降就越嚴(yán)重，產(chǎn)品的效率電性能也就下降愈發(fā)明顯。板級(jí)磁芯粘接面典型微裂失效圖如圖4所示。

圖4 板級(jí)磁芯粘接面典型微裂失效現(xiàn)象

XX型模塊板級(jí)磁芯粘接面發(fā)生微裂紋缺陷現(xiàn)象最明顯且最典型。分析該系列產(chǎn)品同批次的1#～5#產(chǎn)品，得到產(chǎn)品效率下降和板級(jí)磁芯電感量下降的具體數(shù)值，具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1、圖5和圖6所示。

圖5 產(chǎn)品效率電性能的下降

圖6 產(chǎn)品板級(jí)磁芯電感量的下降

表1 產(chǎn)品效率下降和板級(jí)磁芯電感量下降的關(guān)系

觀察表1、圖5和圖6，分析數(shù)據(jù)可知：產(chǎn)品經(jīng)高溫貯存和溫度循環(huán)篩選試驗(yàn)后，會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)品效率下降的失效現(xiàn)象，這個(gè)缺陷是由板級(jí)磁芯的電感量下降造成的。其中1#產(chǎn)品電感量下降百分比達(dá)到43.75%，說(shuō)明失效現(xiàn)象很明顯。對(duì)比數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，1#產(chǎn)品效率下降百分比也是最高的，即其效率下降最明顯，效率下降2.1%。

產(chǎn)品效率電性能的下降程度與板級(jí)磁芯電感量下降程度有一定的關(guān)聯(lián)，但是并不具有簡(jiǎn)單直接的單調(diào)增加或單調(diào)減小的規(guī)律，只是隨著板級(jí)磁芯電感量的下降，效率總體呈下降的趨勢(shì)。因此必須徹底解決板級(jí)磁芯的電感量下降問(wèn)題，才能解決產(chǎn)品效率電性能下降失效的缺陷。而板級(jí)磁芯的電感量下降問(wèn)題是由于磁芯粘接面產(chǎn)生微裂紋造成的，需要徹底解決板級(jí)磁芯的電感量下降問(wèn)題，就必須探索能解決磁芯粘接面微裂紋缺陷的所有途徑和方法。

用于板級(jí)磁芯粘接的H膠，其Tg為90℃。在產(chǎn)品篩選試驗(yàn)中，特別是高溫貯存（135℃，保溫48 h，恢復(fù)2 h）和溫度循環(huán)（-55～125℃，10次，t1=20 min±1 min，t2≤1 min）等環(huán)境試驗(yàn)的沖擊后，輕輕撬動(dòng)磁芯，發(fā)現(xiàn)上下兩塊磁芯出現(xiàn)了裂縫，磁芯粘接面出現(xiàn)松動(dòng)。此時(shí)，板級(jí)磁芯粘接面已發(fā)生開(kāi)裂缺陷，說(shuō)明H膠的粘接強(qiáng)度并不能經(jīng)受產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)的考核。在篩選的高溫過(guò)程中，H膠出現(xiàn)軟化導(dǎo)致粘接強(qiáng)度大幅減小。由此可知，在高貯和溫循的環(huán)境試驗(yàn)中，H膠明顯地表現(xiàn)出粘接強(qiáng)度不足的缺陷。

而采用真空浸入式灌封工藝，其灌封膠的浸入能力變強(qiáng)，對(duì)磁芯縫隙進(jìn)行嚴(yán)密堵膠后，還是較容易造成灌封膠進(jìn)入磁芯內(nèi)部的缺陷，導(dǎo)致磁芯粘接面被灌封膠撐開(kāi)。

板級(jí)變壓器和電感器的載體為板級(jí)磁芯，磁芯分為有氣隙磁芯和無(wú)氣隙磁芯。研制生產(chǎn)中，易出現(xiàn)磁芯粘接面產(chǎn)生微裂紋的失效模式，現(xiàn)主要問(wèn)題是：磁芯粘接后處在灌封膠環(huán)境中，經(jīng)受高溫貯存和溫度循環(huán)等沖擊試驗(yàn)，磁芯粘接面受到極其復(fù)雜的內(nèi)部應(yīng)力影響，且灌封膠的應(yīng)力是各向異性的。從某個(gè)角度來(lái)說(shuō)，磁芯的粘接面受到較復(fù)雜的應(yīng)力影響，主要是灌封膠的拉應(yīng)力作用。圖7為EI板級(jí)磁芯的典型安裝示意圖，灌封膠填滿了磁芯與PCB垂直方向上的間隙。

圖7 EI板級(jí)磁芯的典型安裝

磁芯粘接膠屬于環(huán)氧膠，在熱老化過(guò)程中，其老化特性指標(biāo)P與老化時(shí)間τ的關(guān)系可用經(jīng)驗(yàn)公式[8]描述為：

式中：P為老化時(shí)間為τ的老化特性指標(biāo)；τ為老化時(shí)間，單位為天（d）；K為性能變化的速率常數(shù)，單位為d-1；A為常數(shù)。

老化特性指標(biāo)變化的速率常數(shù)K與溫度T的關(guān)系服從Arrhenius方程：

式中：T為絕對(duì)溫度，單位為K；E為表觀活化能，單位為J·mol-1；Z為頻率因子，單位為d-1；R為氣體常數(shù)，單位為J·K-1·mol-1。

將式（3）代入式（2），可知：

采用同一種磁芯粘接膠時(shí)，表觀活化能E相同。因此，在高溫環(huán)境下，隨著高溫老化時(shí)間的增加，磁芯粘接膠的老化特性（粘接強(qiáng)度）P不斷減小。通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，由于產(chǎn)品是整體灌封的，磁芯周?chē)墓喾饽z如果進(jìn)入磁芯和繞組之間，這對(duì)磁芯的粘接強(qiáng)度影響將是致命的，因?yàn)楣喾饽z的熱膨脹系數(shù)110 ppm約為PCB銅帶處的2倍，約為磁材的10倍多，而且高溫下不發(fā)生軟化且不可壓縮，參數(shù)性能對(duì)比如表2所示。高溫過(guò)程中，PCB板上的銅線圈部分垂直方向發(fā)生膨脹并受到板級(jí)磁芯和灌封膠的約束，而PCB板上的銅線圈材料處熱失配，會(huì)擠壓磁芯，導(dǎo)致磁芯也發(fā)生形變。灌封膠對(duì)磁芯有拉應(yīng)力作用，隨著高溫作用的進(jìn)行，當(dāng)磁芯粘接膠的粘接強(qiáng)度減小到無(wú)法承受這些熱失配的應(yīng)力時(shí)，磁芯粘接面則發(fā)生微裂紋導(dǎo)致失效。黃國(guó)平等發(fā)明一種板級(jí)感性元件與散熱片的拼版式粘接裝置[9]，利用該粘接裝置可以實(shí)現(xiàn)板級(jí)磁芯的批量粘接并防止板級(jí)磁芯開(kāi)裂等缺陷，但此種效果需建立在可靠的磁芯粘接膠和灌封工藝的基礎(chǔ)上。

表2 FR4、板級(jí)磁芯和灌封膠的材料力學(xué)性能參數(shù)對(duì)比

板級(jí)磁芯粘接面產(chǎn)生微裂紋的主要原因可歸結(jié)為：磁芯粘接膠在高溫等環(huán)境試驗(yàn)中粘接強(qiáng)度不足；真空浸入式灌封工藝造成灌封膠進(jìn)入磁芯和繞組之間。

2 板級(jí)磁芯組裝的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)探究

針對(duì)板級(jí)磁芯粘接面開(kāi)裂機(jī)理的分析，課題組著力進(jìn)行板級(jí)磁芯的粘接，探究其高可靠的組裝工藝。

2.1 磁芯粘接膠的應(yīng)用

根據(jù)失效機(jī)理分析，原磁芯粘接膠的Tg值僅為90℃，在環(huán)境試驗(yàn)（如高溫條件下）中易發(fā)生軟化造成磁芯粘接面開(kāi)裂。因此，探尋Tg溫度100℃及以上且綜合性能更高的磁芯粘接膠是極為重要的。

課題組通過(guò)對(duì)大量磁芯粘接膠的對(duì)比，選取了A磁芯粘接膠、F磁芯粘接膠和E磁芯粘接膠，并采用相同板級(jí)磁芯粘接在相同的金屬基座上進(jìn)行剪切力測(cè)試，以此來(lái)表征不同磁芯粘接膠的粘接強(qiáng)度，如表3所示。

表3 磁芯粘接膠粘接強(qiáng)度試驗(yàn)檢測(cè) N

由表3可知：F磁芯粘接膠無(wú)論在常溫還是160℃熱板條件下，其粘接強(qiáng)度都是最強(qiáng)的，該膠的Tg值在120℃以上，可以滿足環(huán)境試驗(yàn)的要求。因此，排除A磁芯粘接膠和E磁芯粘接膠，選擇F磁芯粘接膠。但產(chǎn)品在生產(chǎn)和環(huán)境試驗(yàn)中，均要進(jìn)行高溫過(guò)程，而且產(chǎn)品在后續(xù)的服役過(guò)程中，高溫過(guò)程總是存在的。因此，設(shè)計(jì)磁芯粘接膠可靠的粘接強(qiáng)度就顯得極其重要。王玉龍等將納米SiO2作為改性填料，均勻分散在環(huán)氧樹(shù)脂中，與環(huán)氧樹(shù)脂之間產(chǎn)生銀紋和塑性變形，能夠吸收沖擊能量，從而提高環(huán)氧膠韌性，這些改性后的粘接性能均有利于滿足PCB組件的粘固需求[10]，這就是利用了改性顆粒尺寸小、比表面積大等優(yōu)勢(shì)，當(dāng)材料的表面能足夠大時(shí)，與合適的膠水一起形成的粘接強(qiáng)度就大。一般表面能達(dá)到35 N/m及以上的材料屬于容易粘接的，如玻璃、銅和鋁等[11]。綜合考慮，本文對(duì)Tg值滿足要求的F磁芯粘接膠進(jìn)行更加可靠的改進(jìn)，即在該磁芯粘接膠內(nèi)添加玻珠成分，利用玻珠顆粒尺寸小的優(yōu)勢(shì)增加磁芯粘接膠內(nèi)部的比表面積和表面能，進(jìn)一步提升其在高溫老化過(guò)程中的粘接強(qiáng)度；還可以根據(jù)電路上需要的板級(jí)磁芯電感量選擇不同的玻珠粒徑。本文采用的F磁芯粘接膠，其添加的玻珠顆粒為36～40μm，如圖8所示。

圖8 F磁芯粘接膠（含玻珠顆粒）50X顯微圖像

進(jìn)行磁芯粘接，擰罐后打開(kāi)，對(duì)磁芯粘接膠在磁芯表面的狀態(tài)進(jìn)行觀察，圖9為300X顯微圖像，玻珠分布較均勻，粘接的時(shí)候，磁芯之間的氣隙可以得到較大的控制；玻珠粒徑的中間值為38μm，顆粒大小均勻。

圖9 F磁芯粘接膠（含玻珠顆粒）300X顯微圖像

對(duì)如下印制電路板的電感磁芯L1、變壓器磁芯T2和輔助源磁芯T1采用含玻珠顆粒的F膠進(jìn)行粘接，如圖10所示。加嚴(yán)環(huán)境試驗(yàn)條件為：在125℃保溫168 h，恢復(fù)2 h；在-55～125℃進(jìn)行100次溫度循環(huán)，其中t1=30 min±1 min，t2≤1 min。

圖10 印制電路板板級(jí)磁芯采用含玻珠顆粒的F磁芯粘接膠進(jìn)行粘接

對(duì)樣品環(huán)境試驗(yàn)前和環(huán)境試驗(yàn)后板級(jí)磁芯的電感量進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表4所示。發(fā)現(xiàn)：試驗(yàn)后電感磁芯L1、變壓器磁芯T2和輔助源磁芯L1的電感量相比于試驗(yàn)前的變化率在5%范圍以內(nèi)，遠(yuǎn)低于10%范圍，說(shuō)明所有板級(jí)磁芯粘接保持了高可靠性，板級(jí)磁芯粘接面開(kāi)裂缺陷消失。

表4 板級(jí)磁芯環(huán)境試驗(yàn)前后的電感量 μH

2.2 灌封工藝的設(shè)計(jì)

為解決磁芯粘接面脫落的問(wèn)題，可在磁芯器件粘接后，在磁芯器件窗口點(diǎn)涂硅膠進(jìn)行保護(hù)，使產(chǎn)品在灌封時(shí)灌封膠不能進(jìn)入磁芯和繞組之間[12]。磁芯器件窗口硅膠堵縫的設(shè)計(jì)圖如圖11所示。

圖11 磁芯器件窗口硅膠堵縫的設(shè)計(jì)圖

根據(jù)失效機(jī)理分析：真空浸入式灌封中，灌封膠進(jìn)入磁芯和繞組之間的能力很強(qiáng)，點(diǎn)涂硅膠僅僅是物理上的粘附作用，固化后的硅膠與磁芯器件窗口會(huì)形成大小不一的微小孔隙，而真空浸入式灌封時(shí)灌封膠就會(huì)通過(guò)這些微小孔隙進(jìn)入磁芯和繞組之間。因此，若采用真空浸入式灌封工藝，同時(shí)在磁芯器件窗口點(diǎn)涂硅膠，并不能有效阻止灌封膠進(jìn)入磁芯和繞組之間。

為了從根源避免在灌封工藝中灌封膠進(jìn)入板級(jí)磁芯內(nèi)部引發(fā)磁芯開(kāi)裂，課題組優(yōu)化了灌封工藝設(shè)計(jì)。制作旋轉(zhuǎn)灌封夾具，采用旋轉(zhuǎn)灌封工藝，不再采用真空浸入式灌封方法。旋轉(zhuǎn)灌封是采用離心力將灌封膠甩入模塊內(nèi)部，不同于真空浸入式灌封借助空氣負(fù)壓[13]。旋轉(zhuǎn)灌封時(shí)灌封膠進(jìn)入磁芯和繞組之間的能力遠(yuǎn)低于真空浸入式灌封。以典型的1 16磚XXX型號(hào)制作樣品20只，經(jīng)工藝制作過(guò)程，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5所示。真空浸入式灌封樣品重量與旋轉(zhuǎn)灌封樣品重量相差穩(wěn)定在2～4 g之間，且旋轉(zhuǎn)灌封工藝可控。由表5可知，灌注后，旋轉(zhuǎn)灌封和真空浸入式灌封有一定的重量差異，但旋轉(zhuǎn)灌封仍可以滿足產(chǎn)品散熱等需求。這種改進(jìn)不僅可以避免磁芯被灌封膠拉裂，也滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求，且旋轉(zhuǎn)灌封具有更高的生產(chǎn)效率。

表5 旋轉(zhuǎn)灌封與真空浸入式灌封的產(chǎn)品重量差異 g

2.3 工藝設(shè)計(jì)結(jié)果

通過(guò)優(yōu)化的工藝設(shè)計(jì)，灌封后的微電路模塊順利完成加嚴(yán)試驗(yàn)，條件為：高溫貯存（135℃，保溫96 h，恢復(fù)2 h）；溫度循環(huán)（-55～125℃，20次，t1=20 min±1 min，t2≤1 min）等，微電路模塊內(nèi)部的板級(jí)磁芯組裝可靠性得到保證，經(jīng)測(cè)試，產(chǎn)品電性能完全滿足要求。板級(jí)磁芯粘接界面微裂紋缺陷已消失，課題組突破了磁集成技術(shù)微電路模塊板級(jí)磁芯高可靠組裝的難題。

磁芯組裝工藝技術(shù)屬于平臺(tái)性技術(shù)，本文建立了新的板級(jí)磁芯組裝基線平臺(tái)，產(chǎn)品成品率從40%～60%大幅提升到99%及以上。已在標(biāo)準(zhǔn)磚系列微電路模塊（1 32磚系列、1 16磚系列、1 8磚系列、1 4磚系列），1 2磚高功率密度微電路模塊，X-X工程平臺(tái)和X-X-X工程平臺(tái)得到批量推廣和應(yīng)用。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)微電路模塊板級(jí)磁芯組裝缺陷機(jī)理的分析和優(yōu)化后的工藝設(shè)計(jì)可知：板級(jí)磁芯組裝失效的根源是磁芯粘接力不足以抵抗環(huán)境試驗(yàn)（包括產(chǎn)品內(nèi)部的灌封膠）應(yīng)力造成的；采用新型板級(jí)磁芯粘接膠、改進(jìn)灌封方式和磁芯填充工藝是板級(jí)磁芯組裝失效的有效工藝途徑。