功率芯片高導(dǎo)熱膠接技術(shù)范文

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《電子機(jī)械工程雜志》2014年第三期

1試驗(yàn)方法及過(guò)程

1．1測(cè)試件制作

用環(huán)氧貼片機(jī)在熱沉上點(diǎn)涂適量高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠，將功率芯片粘接在熱沉上。將熱沉放置在烘箱中，分別以不同的參數(shù)固化高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠，見表1。高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠固化后，將熱沉壓接在封裝測(cè)試殼體上，配以外圍電路用于測(cè)試，如圖1所示。

1．2環(huán)境試驗(yàn)及測(cè)試方法

1．2．1環(huán)境試驗(yàn)參照GJB548B—2005《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》，對(duì)測(cè)試件做熱沖擊和溫度循環(huán)試驗(yàn)，具體試驗(yàn)條件如下:1)熱沖擊試驗(yàn)的溫度為－55℃～125℃，循環(huán)次數(shù)為15次;2)溫度循環(huán)試驗(yàn)的溫度為－55℃～125℃，循環(huán)次數(shù)為100次。

1．2．2膠層厚度測(cè)定芯片裝入測(cè)試件固化后，通過(guò)三維輪廓儀測(cè)量得到芯片和導(dǎo)電膠的厚度H，測(cè)量芯片可以得到厚度H0，導(dǎo)電膠厚度h為兩者之差，即h=H－H0。

1．2．3芯片剪切力測(cè)試參照GJB548B—2005《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》，對(duì)膠接芯片做破壞性剪切力測(cè)試，如圖2所示(芯片用同樣尺寸、底面鍍金的陶瓷片代替)。

1．2．4膠透率測(cè)試功率芯片導(dǎo)電膠粘的膠透率通過(guò)超聲斷層掃描儀測(cè)試，超聲傳輸介質(zhì)為純凈水，測(cè)試方向?yàn)樾酒趁妗?/p>

1．2．5紅外成像測(cè)試設(shè)定底板溫度為70℃，芯片漏壓額定10V，調(diào)節(jié)柵壓控制電流為0．5A、1．0A、1．5A和2．0A，得到5W、10W、15W和20W的耗散功率。采用紅外熱像儀記錄不同耗散功率下芯片的表面溫度。

1．2．6熱阻和導(dǎo)熱率計(jì)算［7］熱阻計(jì)算公式:式中:C為導(dǎo)熱率;θ為熱阻;S為芯片膠接/焊接面積;h為導(dǎo)電膠/金錫厚度。

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2．1不同固化參數(shù)對(duì)膠透率的影響試驗(yàn)分別以3種不同的溫度對(duì)高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠進(jìn)行固化。由固化參數(shù)1#固化的功放芯片，膠透率在86%～93%之間，典型圖片如圖3所示;由固化參數(shù)2#固化的功放芯片，膠透率在72%～90%之間，典型圖片如圖4所示;由固化參數(shù)3#固化的功放芯片，膠透率在92%～97%之間，典型圖片如圖5所示。高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠的基材成分是環(huán)氧樹脂，在固化過(guò)程中經(jīng)歷溶劑揮發(fā)—初步交聯(lián)—深度固化3個(gè)步驟。較低的溫度有利于溶劑揮發(fā)，較高的溫度有利于深度固化，因此用固化方法3#中的兩段式加熱法可保證功率芯片有比較高的膠透率。固化方法1#溫度較低，高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠固化不完全，收縮不到位;固化方法2#溫度較高，溶劑還沒來(lái)得及完全揮發(fā)，高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠就固化了并將氣泡封在了膠體內(nèi)，因而膠透率不高。功率芯片的膠透率不高，容易在氣孔處形成局部高溫區(qū)域，如圖6所示。芯片局部高溫會(huì)使其可靠性下降甚至燒毀芯片，因此保證高的膠透率至關(guān)重要。

2．2膠層厚度對(duì)散熱性能的影響從熱阻計(jì)算公式和導(dǎo)熱率計(jì)算公式可以看出，在耗散功率、芯片面積和載體溫度均是定值的情況下，芯片最終的結(jié)溫與高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠的厚度相關(guān)，且呈現(xiàn)反比關(guān)系。高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠的厚度直接影響芯片的表面溫度，相關(guān)試驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果見表2。從表2可以看出，隨著膠層厚度的增加，芯片表面最高溫度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。一般來(lái)說(shuō)，砷化鎵MMIC芯片的設(shè)計(jì)溫度為175℃，建議使用的最高溫度不超過(guò)150℃，因此高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠的厚度最好控制在30μm以下，以保證芯片在20W耗散功率下正常可靠地工作。同時(shí)將23．7μm的高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠與24．1μm金錫進(jìn)行比較，在20W耗散功率下，高導(dǎo)熱膠粘的芯片表面溫度僅比金錫焊接的芯片高2℃左右。由式(2)可以計(jì)算出高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠的導(dǎo)熱率為56．3W/(m•K)，比標(biāo)稱值低，這與測(cè)量方法和高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠的膠透率有關(guān)。從總體來(lái)看，經(jīng)過(guò)控制的高導(dǎo)熱膠散熱能力已經(jīng)和金錫相當(dāng)，完全能夠滿足功率芯片的散熱需求。

2．3環(huán)境試驗(yàn)對(duì)剪切力的影響制作100只高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠粘接樣品，隨機(jī)抽取50只在環(huán)境試驗(yàn)前進(jìn)行剪切力測(cè)試，剩余50只在環(huán)境試驗(yàn)后進(jìn)行剪切力測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。圖7顯示了環(huán)境試驗(yàn)前后芯片的剪切力分布。環(huán)境試驗(yàn)前芯片剪切力的中位數(shù)值為132．50N，最大值為236．75N，最小值為70．230N;環(huán)境試驗(yàn)后芯片剪切力的中位數(shù)值為114．78N，最大值為200．18N，最小值為62．43N。環(huán)境試驗(yàn)后芯片的剪切力有整體下降的趨勢(shì)，但其最小值依然能夠滿足GJB548B—2005《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》中不小于50N的要求。因此，高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠粘功率芯片在機(jī)械連接上是安全可靠的。

3結(jié)束語(yǔ)

本文使用一種高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠代替金錫，實(shí)現(xiàn)了功率芯片與熱沉的互聯(lián)，將操作溫度由300℃降到了200℃。通過(guò)固化參數(shù)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了90%以上的高膠透率的芯片粘接。同時(shí)，紅外成像測(cè)試和導(dǎo)熱率計(jì)算表明，高導(dǎo)熱導(dǎo)電膠的散熱能力已基本和金錫相當(dāng)，能夠滿足功率芯片的散熱需求。環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證表明，功率芯片膠粘的剪切力能夠滿足國(guó)軍標(biāo)要求，具有長(zhǎng)期工作的可靠性。

作者：紀(jì)樂(lè)單位：南京電子技術(shù)研究所