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功率芯片高导热胶接技术

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《电子机械工程杂志》2014年第三期

1试验方法及过程

1.1测试件制作

用环氧贴片机在热沉上点涂适量高导热导电胶,将功率芯片粘接在热沉上。将热沉放置在烘箱中,分别以不同的参数固化高导热导电胶,见表1。高导热导电胶固化后,将热沉压接在封装测试壳体上,配以外围电路用于测试,如图1所示。

1.2环境试验及测试方法

1.2.1环境试验参照GJB548B—2005《微电子器件试验方法和程序》,对测试件做热冲击和温度循环试验,具体试验条件如下:1)热冲击试验的温度为-55℃~125℃,循环次数为15次;2)温度循环试验的温度为-55℃~125℃,循环次数为100次。

1.2.2胶层厚度测定芯片装入测试件固化后,通过三维轮廓仪测量得到芯片和导电胶的厚度H,测量芯片可以得到厚度H0,导电胶厚度h为两者之差,即h=H-H0。

1.2.3芯片剪切力测试参照GJB548B—2005《微电子器件试验方法和程序》,对胶接芯片做破坏性剪切力测试,如图2所示(芯片用同样尺寸、底面镀金的陶瓷片代替)。

1.2.4胶透率测试功率芯片导电胶粘的胶透率通过超声断层扫描仪测试,超声传输介质为纯净水,测试方向为芯片背面。

1.2.5红外成像测试设定底板温度为70℃,芯片漏压额定10V,调节栅压控制电流为0.5A、1.0A、1.5A和2.0A,得到5W、10W、15W和20W的耗散功率。采用红外热像仪记录不同耗散功率下芯片的表面温度。

1.2.6热阻和导热率计算[7]热阻计算公式:式中:C为导热率;θ为热阻;S为芯片胶接/焊接面积;h为导电胶/金锡厚度。

2试验结果与讨论

2.1不同固化参数对胶透率的影响试验分别以3种不同的温度对高导热导电胶进行固化。由固化参数1#固化的功放芯片,胶透率在86%~93%之间,典型图片如图3所示;由固化参数2#固化的功放芯片,胶透率在72%~90%之间,典型图片如图4所示;由固化参数3#固化的功放芯片,胶透率在92%~97%之间,典型图片如图5所示。高导热导电胶的基材成分是环氧树脂,在固化过程中经历溶剂挥发—初步交联—深度固化3个步骤。较低的温度有利于溶剂挥发,较高的温度有利于深度固化,因此用固化方法3#中的两段式加热法可保证功率芯片有比较高的胶透率。固化方法1#温度较低,高导热导电胶固化不完全,收缩不到位;固化方法2#温度较高,溶剂还没来得及完全挥发,高导热导电胶就固化了并将气泡封在了胶体内,因而胶透率不高。功率芯片的胶透率不高,容易在气孔处形成局部高温区域,如图6所示。芯片局部高温会使其可靠性下降甚至烧毁芯片,因此保证高的胶透率至关重要。

2.2胶层厚度对散热性能的影响从热阻计算公式和导热率计算公式可以看出,在耗散功率、芯片面积和载体温度均是定值的情况下,芯片最终的结温与高导热导电胶的厚度相关,且呈现反比关系。高导热导电胶的厚度直接影响芯片的表面温度,相关试验及测试结果见表2。从表2可以看出,随着胶层厚度的增加,芯片表面最高温度呈现上升趋势。一般来说,砷化镓MMIC芯片的设计温度为175℃,建议使用的最高温度不超过150℃,因此高导热导电胶的厚度最好控制在30μm以下,以保证芯片在20W耗散功率下正常可靠地工作。同时将23.7μm的高导热导电胶与24.1μm金锡进行比较,在20W耗散功率下,高导热胶粘的芯片表面温度仅比金锡焊接的芯片高2℃左右。由式(2)可以计算出高导热导电胶的导热率为56.3W/(m•K),比标称值低,这与测量方法和高导热导电胶的胶透率有关。从总体来看,经过控制的高导热胶散热能力已经和金锡相当,完全能够满足功率芯片的散热需求。

2.3环境试验对剪切力的影响制作100只高导热导电胶粘接样品,随机抽取50只在环境试验前进行剪切力测试,剩余50只在环境试验后进行剪切力测试,试验结果如图7所示。图7显示了环境试验前后芯片的剪切力分布。环境试验前芯片剪切力的中位数值为132.50N,最大值为236.75N,最小值为70.230N;环境试验后芯片剪切力的中位数值为114.78N,最大值为200.18N,最小值为62.43N。环境试验后芯片的剪切力有整体下降的趋势,但其最小值依然能够满足GJB548B—2005《微电子器件试验方法和程序》中不小于50N的要求。因此,高导热导电胶粘功率芯片在机械连接上是安全可靠的。

3结束语

本文使用一种高导热导电胶代替金锡,实现了功率芯片与热沉的互联,将操作温度由300℃降到了200℃。通过固化参数的优化实现了90%以上的高胶透率的芯片粘接。同时,红外成像测试和导热率计算表明,高导热导电胶的散热能力已基本和金锡相当,能够满足功率芯片的散热需求。环境试验验证表明,功率芯片胶粘的剪切力能够满足国军标要求,具有长期工作的可靠性。

作者:纪乐单位:南京电子技术研究所

电子机械工程杂志责任编辑:田老师    阅读:人次
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