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FH0189封装工艺改进及其可靠性工程研究

论文编号:lw202007182222321427 所属栏目:工程硕士论文 发布日期:2020年07月24日 论文作者:无忧论文网

本文是一篇工程硕士论文,本文主要对 FH0189 热可靠性和封装工艺改进进行了分析与研究,主要工作内容如下:(1)在 FH0189 典型失效案例中,通过器件电路原理、封装结构和功率 BJT常见失效机理的研究,结合失效分析的方法和程序,通过功能测试和 X 射线迅速收敛故障点,定性判定器件可能存在封装散热不良的情况。在此基础上引入热阻的概念和热阻测试,对器件进行热可靠性分析,定量得出器件热失效是由于封装热阻大所导致的,并进一步通过对微分结构函数的分析得出:封装热阻大是由粘接层热阻大所造成的。(2)在 FH0189 热阻测试中,因为热电偶无法准备测量壳温,运用传统热阻测试的方法,很难精确测量结到壳的热阻。因此,采用瞬态双界面测试法,测量瞬态热阻抗曲线,然后运用数学变换获得结构函数曲线,通过比较微分结构函数曲线准确获取封装结到壳的热阻,并在此基础上准确计算出应用条件的芯片结温。


第一章  绪论


1.1 研究背景及意义

人们原认为功率相对较低的晶体管的发明,将使所有的电子冷却即使不是完全取消,也至少可以大大减少。然而,这种想法并未维持多久,由于工程师们为了改善器件性能、价格以及可靠性而把大量的电路封装在一个越来越小的空间。事实上元器件级的功率密度在逐年剧增。计算机主机中芯片的功率耗散范围可达 20W至 40W,在许多个人电脑和工作站的应用中,芯片功率耗散也可超过 10W。以计算机主机为例,一块耗散功率为 30W 的 7mm×7mm 芯片,其产生的热流密度大于 6×105W/m2。

要承受这样高的热流密度又要维持相对低的器件温度这是当今热工工程师所面临的挑战之一。并且电子器件所允许达到的工作温度水平不只取决于性能要求,而且还取决于越来越迫切的可靠性要求。由于温度同时影响集成电路和封装的失效机理,因此有时必须减低其平均工作温度又要减少围绕平均温度的变化,所有这些还会因微电子器件工作在一个很宽的环境温度范围而变得更为复杂。

FH0189 是作者所在公司经典双功率运算放大器,在诸领域有着广泛的应用,自然也会存在部分产品因潜在缺陷未被有效筛选剔除而在应用中发生失效的情形。缺陷定位和失效分析在高可靠、高质量电子封装的生产中起重要作用。缺陷的鉴别和分析以及后续这类缺陷的减少或消除,都可以使制造工艺得到重大的改进,从而获得高质量的封装。 

通过对 FH0189 典型热失效问题和结到壳热阻的研究,挖掘器件的潜在缺陷,明晰失效机制,从根本上改进封装材料、封装工艺和筛选试验,将封装的粘接空洞率降至 10%以下。这不仅有助于提高 FH0189 产品的合格率和可靠性,也有助于拓展新的封装材料和封装工艺的研究,为后续研制高密度功率器件和模块的热管理和热设计提供理论依据和技术支持。 

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1.2 研究现状

1.2.1  电学法热阻测试研究现状

热阻(一个模拟于电阻的参数)是表征半导体器件热特性的主要参数,其中功率器件的结壳热阻θ??是检测和筛选器件的重要指标。在热阻测试中,有红外热成像、光纤温度测试探针等方法,而由固态技术协会(JEDEC)提出的电学法热阻测试是目前最流行的方法。电学法是指利用的一些跟温度相关的状态参数,间接测量出结温,进而得到热阻等数据。这些跟温度具有相关性的参数称为(Temperature Sensitive Parameters,TSP)温敏参数[1],通过对这些热敏参数的监测,能够实现二极管、三极管以及集成电路等有源器件结温和热阻的在线测量。电学法测试分为稳态热阻测试和瞬态热阻测试,其中稳态测试计算从芯片有源区到参考点之间的热阻,用以估算器件在给定功率下的发热量或者温度,但是稳态测试能够得到的数据有限,所以主要用于衡量器件的散热性能,以及确定器件的额定耗散功率和老炼或功率循环实验条件等,而难以用于器件的封装缺陷检测及诊断,更无法评估器件封装内部各层结构对器件热特性的影响[2]。而瞬态热测量能够将含有热阻和热容的结构函数从器件的瞬态热响应曲线中经数学处理解析出来,并应用结构函数对器件在传热路径上的结构特性进行分析,能够非破坏性地获得结壳热阻θ??中各组成部分热阻的大小[3],以此实现对器件封装结构的热分析和热设计。

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第二章  FH0189 功率运算放大器产品分析


2.1 电路分析

FH0189 产品由两路具有相同功能的单片电路构成一完整的混合集成电路,并贴装在陶瓷基片过渡片上,除了电源端(2 脚和 6 脚)共用外,其它端子都具有单独的功能。在封装上,任一端子均与外壳隔离,无外补偿和调零,应用十分方便。

电路具有以下特征:

(a)输出电流可达 5A;

(b)使用的电源电压达±40V;

(c)结型场效应管(FET)输入方式,具有很高的输入阻抗;

(d)引出端与外壳电隔离,应用更加方便;

(e)电路设计中引入了热检测、自散热、热保护等安全措施,使器件更加安全可靠工作。

FH0189 的电路框图(1/2)见图 2-2,其电原理图见图 2-3。

图 2-2 FH0189 电路框图(1/2)

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第三章 失效分析和热阻测试 ......................... 12

3.1  微电子器件失效分析技术简介 ............................. 12

3.2  热阻测试简介 .................................. 13

第四章 FH0189 典型失效案例研究 ..................... 20

4.1  问题概述 ................................. 20

4.1.1  样品信息 ............................... 20

4.1.2  故障现象 ................................ 21

第五章 封装工艺改进 .............................. 44

5.1  混合微电子简介 ................................... 44

5.2  工艺所存在的问题 ..................................... 44


第五章  封装工艺改进


5.1 混合微电子简介

混合微电子技术是电子封装技术的一个分支,它与其他分支的不同之处在于产生互连图形。混合电路的基础是由某种耐熔陶瓷制造的基板。在基板上,通过某种膜技术制作金属化图形以形成安装焊盘和电路印制线,并用于键合和互连所必需的外加有源器件和无源元件。混合电路技术的另一特点是能够制造无源元件。例如,能够使用厚膜和薄膜技术制造电阻,其性能优于在印制电路板上常用的碳膜电阻。

混合电路最为普遍接受的定义是:在金属化基板上至少含有两个元器件,其中之一必须是有源器件。该定义旨在排除单芯片封装和只含有无源元件,例如电阻网络的电路。按照这个定义,一个混合电路的范围可以从单个二极管-电阻逻辑门直到含有超过 100 块 IC 电路[40]。

图 2-4 P 沟道场效应管版图和电路

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第六章  结论


6.1 本文的主要贡献 本文主要对 FH0189 热可靠性和封装工艺改进进行了分析与研究,主要工作内容如下:

(1)在 FH0189 典型失效案例中,通过器件电路原理、封装结构和功率 BJT常见失效机理的研究,结合失效分析的方法和程序,通过功能测试和 X 射线迅速收敛故障点,定性判定器件可能存在封装散热不良的情况。在此基础上引入热阻的概念和热阻测试,对器件进行热可靠性分析,定量得出器件热失效是由于封装热阻大所导致的,并进一步通过对微分结构函数的分析得出:封装热阻大是由粘接层热阻大所造成的。

(2)在 FH0189 热阻测试中,因为热电偶无法准备测量壳温,运用传统热阻测试的方法,很难精确测量结到壳的热阻。因此,采用瞬态双界面测试法,测量瞬态热阻抗曲线,然后运用数学变换获得结构函数曲线,通过比较微分结构函数曲线准确获取封装结到壳的热阻,并在此基础上准确计算出应用条件的芯片结温。

(3)在 FH0189 真空合金焊工艺改进中,在保证良好的焊料流动和润湿的情况下,峰值温度下的保持时间应该尽可能短的前提下,调优了芯片和基片焊接温度曲线,不仅使基片与管壳的焊料溢出少,同时保障空洞率低和焊接强度高;

(4)在 FH0189 焊接工艺改进中,确定了在真空合金焊的工艺下,基片焊接采用 0.05mm 的金锡焊片比 0.1mm 的金锡焊片具有更好的焊接质量。

(5)在 FH0189 真空焊接工艺改进中,确定了真空烧结炉中基片和芯片烧焊的工装位,保障焊接质量一致性和量产需求。

参考文献(略)

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