大功率集成功放模塊工藝研究

劉 笛，劉洪濤，賀 玲

（中國電子科技集團公司第47研究所，沈陽 110032）

大功率集成功放模塊工藝研究

劉 笛，劉洪濤，賀 玲

（中國電子科技集團公司第47研究所，沈陽 110032）

在各類電子產品集成度越來越高的前提下, 大功率集成功放模塊也同樣面臨著集成度不斷提高的要求，如何使其效率更高、體積更小、重量更輕、成本更低、更加可靠耐用已成為大功率集成功放模塊工藝研究的主要方向。文章介紹了一種大功率集成功放模塊的封裝結構設計及組裝工藝，功率半導體模塊是把若干分立器件及內部電路進行組裝，然后用環氧樹脂灌封而成的新型器件。它具有體積小、外殼與電極絕緣、可靠性高、安裝方便等優點。在研制過程中借鑒了國外知名企業產品的工藝技術，同時也充分利用了現有成熟的半導體集成電路的封裝技術。

集成功放；模塊；環氧樹脂；灌封

1 引言

功率半導體模塊采用了很多新的封裝工藝，因而具有更多新的功能，在國內外得到了廣泛的應用[1]。如何使其效率更高、體積更小、重量更輕、成本更低、更加可靠耐用，一直是設計者不斷努力的方向。從一些國外功率模塊產品的剖析中，不難發現其模塊普遍采用了焊接技術和樹脂灌封工藝，并且有選擇地兼容了壓接和鍵合方面的合理技術。國外同類產品采用焊接工藝不僅降低了模塊的成本，也增大了模塊內部集成空間。采用灌封工藝則使模塊具有更好的防潮、耐輻射、耐氣候老化等性能，保證了維持芯片正常工作的基本外在條件。焊接和鍵合技術的合理應用較好地處理了高壓器件熱學方面及電學方面存在的一些問題。

2 集成功放模塊設計基礎

功放模塊的制作技術在很大程度上借鑒了半導體集成電路的封裝技術[2]，其工藝流程圖如圖1。

圖1 功放模塊的工藝流程圖

其中關鍵工藝為焊接工藝、鍵合工藝和灌封工藝。焊接工藝多采用的是釬焊工藝，通過燒結的方式將芯片、基板和底座進行連接，形成牢固的連接關系及良好的散熱通道。鍵合工藝主要有金絲球焊和楔焊工藝兩種，通過選用不同型號、材質的鍵合絲進行鍵合，以將芯片和引腳進行有效的電連接[3]。灌封工藝則包括了灌注材料的選擇、灌注及固化和后處理等諸多工藝技術。

設計者在進行功率模塊設計時，不但應該考慮到各工藝的技術特點，還應充分考慮以下因素：

（1）模塊的結構設計，從電學和熱學角度出發，盡量縮短芯片和散熱器之間的距離及芯片和主電極引出端之間的距離，進而形成良好的熱傳遞路徑，使模塊的熱阻最小且能保持良好的電性能，這一點在前期進行功放模塊設計時尤為重要；

（2）模塊的材料選擇，應充分考慮各部件之間熱膨脹系數的匹配問題，以使各部件之間所受的應力最小，進而避免由于芯片的碎裂、鍵合絲的倒曲、脫鍵以及銅底板的彎曲所引起電性能失效、底板與散熱器接觸不良等諸多問題。

3 模塊的結構設計和工藝要求

功率模塊是將多只功率芯片按電路結構連接封裝在一起的器件，它的電極與外殼絕緣，并多采用單面散熱的結構，設計者從電學和熱學角度出發，應盡量縮短管芯和散熱面之間的距離及管芯和主電極引出端之間的距離，這樣能有效減少模塊的熱阻，以防止熱量的聚集，造成芯片功能的失效。考慮電力半導體器件的熱阻與功耗的關系如下式：

式中：Rja為模塊芯片與環境之間的熱阻、Rjc為模塊的結殼熱阻、Rca為模塊的外殼與散熱器之間的熱阻、Rcs為模塊外殼與散熱器之間的接觸熱阻、Rsa為散熱器的熱阻、Tj為模塊芯片的溫度、Ta為模塊的使用環境溫度、P為器件的通態耗散功率、VTM為器件的通態峰值壓降、IAV為額定通態平均電流、VTO為器件的門檻電壓。

由于不可避免地采用了絕緣陶瓷片和單面散熱結構，進而增加了熱阻，導致在同等芯片尺寸和同等散熱條件下，模塊的電流容量降低，因此對模塊的結構設計和材料選取有較高要求[4]。

（1）芯片的選擇原則：模塊選擇的芯片應滿足其電性能的要求，在滿足高電壓、大電流要求的同時，由于導通電阻的存在，應該選擇導通電阻小的芯片，以降低模塊功率。模塊采用的絕緣材料的熱導率與銅底板的熱導率相差很多，所以模塊的熱阻比分立式半導體器件大很多，而模塊又是采用單面散熱，因此必須通過降低芯片的功耗來彌補這一缺點，這也就要求了芯片的通態壓降要盡可能的低。

（2）絕緣材料的選擇標準：功率模塊的外殼與電極絕緣，芯片與底板絕緣，還要利用底板散熱。因此，用于模塊的絕緣必須具有良好的絕緣（絕緣電壓≥2 500V）和導熱性能，能耐高溫并有良好的機械抗壓性能。常用的絕緣材料有Al2O3、BeO、AlN及DBC瓷片等，模塊常用絕緣材料及其特點見表1。

表1 模塊常用絕緣材料及其特點

（3）底板與電極的設計原則：要考慮底板散熱以及基板與底板間不會因溫度循環產生疲勞失效問題。電極設計要注意焊接面平整度與平行度以及克服應力的緩沖帶設計。

（4）灌封材料的選擇標準：灌封工藝是采用固體介質未固化前排除空氣填充到元器件周圍，達到加固和提高抗電強度的作用。因為功率模塊內部組件較多，每種材料的物理化學性能不相同，要保證它們在電熱環境中能穩定工作，選用的灌封材料要能在-40℃～85℃下長期使用，本身除了要有優異的電氣絕緣、防潮、防水、防震、耐老化性能以及良好的物理機械性能外，還必須具有優良的化學穩定性。從產品特點來看，所選灌封材料還需要黏度適中、操作方便、可深層固化。

4 功放模塊的研制過程及組裝工藝

4.1 模塊的材料選擇

模塊的材料選擇主要從芯片的選取、絕緣材料的選取、底板與電極的選取三個方面來考慮：

（1）芯片的選取

該功放模塊選用的芯片是VDMOS芯片，其具有開關速度快、輸入阻抗高、負溫度系數等優點。該模塊采用的是多只VDMOS芯片并聯的結構，以保證模塊達到額定電流的容量。由于導通電阻的存在，應該選擇導通電阻小的芯片型號，降低模塊功率損耗。

（2）絕緣材料的選取

模塊的絕緣片必須具有良好的絕緣和導熱性能，能耐高溫并有良好的機械抗壓性能。高性能AlN陶瓷熱導率高，價格較BeO便宜，線膨脹系數與Si接近，因此選取AlN陶瓷片作為模塊的絕緣導熱材料[5]。

（3）底板與電極的選取與設計

因為模塊采用單面散熱結構，散熱底板和電極都采用紫銅鍍Ni材料，提高了導熱性與可焊性。同時主電極采用C形緩沖帶，既能減小應力，又能減小分布電感。

4.2 模塊的組裝工藝

（1）芯片和基板的焊接：影響模塊質量的主要因素是模塊的焊接質量，特別是焊接空洞和虛焊的發生將嚴重影響模塊的導熱和導電性能。產生空洞的主要原因是焊接過程中助焊劑產生的氣泡沒有被徹底排除，進而殘留在焊接面內形成空洞，或者是在焊接前對焊接面的清洗不徹底，導致虛焊等。而且空洞的產生與焊接時的外部氣氛也有一定的關系，實踐證明，大氣軟焊料焊接的空洞較多，而真空焊接幾乎沒有空洞[6]。因此我們在焊接工序中采用了真空燒結的工藝，并且在焊接的過程中利用特殊的模具在芯片上增加一定的壓力，以減少空洞的產生及燒結工程中芯片的偏移，特別注意的是在燒結前還需對組件及模具分別進行超聲清洗。

（2）鋁絲鍵合：芯片之間互連以及芯片和電極之間連接均采用鋁絲鍵合方式。直徑幾百微米的鋁絲要長期通過十幾安培的電流，較差的鍵合質量會造成不良后果，導致引線鍵合點脫落引起模塊失效，因此要考慮電流容量和鋁絲直徑的關系，并提高鍵合質量。按照已有的集成電路組裝工藝用1根100μm鋁絲連接柵極，3根300μm鋁絲連接源極，芯片漏極通過燒結方式直接與電極相連，這樣既保證了通過的電流容量，又留有較大余量。有一些封裝廠家為了提高鍵合強度，通常在鍵合前對芯片進行等離子清洗，但是對于功率器件芯片而言，實踐證明，過度的等離子清洗會對芯片本身的電性能造成不可逆的影響。

（3）環氧樹脂灌注：CK-6037環氧樹脂具有高填充性和可靠性，可以提高模塊的耐熱性、降低吸水率，且導熱性能好，非常符合模塊灌注要求。由于模塊在通態工作條件下，有一定的通態壓降，會產生功耗，如果灌注材料中存在氣泡，則會隨溫度升高而膨脹，致使內部壓強增大，在模塊工作的溫度循環過程中，會出現破裂現象。因此必須保證灌封材料在按配比充分混合攪拌后進行真空脫泡，此外灌注的速度、壓力和模具的溫度對于灌注的質量也有著很大的影響，需要綜合性地考慮，灌注后需進行固化脫模及后處理。

5 結束語

模塊的研制過程是在現有半導體集成電路封裝技術的基礎上，借鑒國外產品通行的功率模塊灌封材料及封裝技術。依據用戶提供的技術指標與功能要求，充分考慮了加工工藝線的實際情況以確定加工工藝。模塊采用的MOSFET芯片是一種多子導電的單極型電壓控制器件，具有開關速度快、高頻特性好、熱穩定性優良、驅動電路簡單、驅動功率小、安全工作區寬、無二次擊穿問題等優點。模塊電路選擇導通電阻小的芯片，對所有芯片堅持高溫電參數篩選和配對，使在同一模塊中的芯片參數一致；模塊采用焊接結構形式，發熱器件通過AlN陶瓷基板直接和散熱底板相連，提高了散熱效果；絕緣材料選擇具有良好導熱性能的AlN基板，面積較小，很好地解決了疲勞失效問題；金屬散熱底板和電極采用紫銅鍍Ni，提高導熱性能和可燒結性；環氧樹脂灌注時嚴格保證按準確比例混合，進行真空脫泡操作，保證固化后不產生氣泡；模塊在生產過程中采取防靜電措施，提高了模塊可靠性。

［1］葉建明，張安康. 功率模塊可靠性[J]. 電子產品可靠性與環境試驗，1999，（3）：15-17.

［2］吳濟鈞，吳莉莉. 電力半導體模塊及其工藝技術[J].半導體情報，2001，（1）：39-40.

［3］郭大琪. 陶瓷外殼封裝的高引線數（VLSI的自動鋁絲楔焊鍵合）[J]. 微電子技術，1996，（5）：55-57.

［4］張明勛. 電力電子設備設計和應用手冊[M]. 北京：機械工業出版社，1999.

［5］田民漢，梁形翔. 高熱導ALN——新型陶瓷基片及封裝材料[J]. 半導體情報，1999，（1）：49-52.

［6］李建軍，許振富，劉鳳莉. 提高晶閘管模塊焊接層質量的實驗研究[J]. 齊齊哈爾大學學報，2001，（2）：63-65.

作者介紹：劉 笛（1984—），男，遼寧沈陽人，工學學士，助理工程師，東北大學工程碩士在讀，現在中國電子科技集團公司第四十七研究所從事封裝工藝研究及集成電路設計工作。

Study on High Power Integrated Amplif i er Module

LIU Di, LIU Hong-tao, HE Ling
（China Electronics Technology Group Corporation No.47Research Institute,Shenyang110032,China）

With All kinds of electronic products have become increasingly integrated, high-power integrated amplif i er module is also facing the same requirements and ever-increasing integration, how to make it more efficient, smaller, lighter weight, lower cost, more become a reliable and durable high-power amplifier module integrated on the main direction of the process.This paper describes a high-power amplif i er module integrated package design and assembly processes, power semiconductor module is internal to a number of discrete devices and circuits to be assembled, and then use the new devices made of epoxy potting. It has small size, shell and electrode insulation, high reliability, convenient installation. In the development process to learn from foreign well-known enterprise product technology, but also make full use of existing mature semiconductor integrated circuit packaging technologies.

∶ intergrated amolif i er; module; epoxy resin; potting package

TN405

A

1681-1070（2012）01-0021-04

2011-10-10