大功率集成功放模块工艺研究

刘 笛，刘洪涛，贺 玲

（中国电子科技集团公司第47研究所，沈阳 110032）

大功率集成功放模块工艺研究

刘 笛，刘洪涛，贺 玲

（中国电子科技集团公司第47研究所，沈阳 110032）

在各类电子产品集成度越来越高的前提下, 大功率集成功放模块也同样面临着集成度不断提高的要求，如何使其效率更高、体积更小、重量更轻、成本更低、更加可靠耐用已成为大功率集成功放模块工艺研究的主要方向。文章介绍了一种大功率集成功放模块的封装结构设计及组装工艺，功率半导体模块是把若干分立器件及内部电路进行组装，然后用环氧树脂灌封而成的新型器件。它具有体积小、外壳与电极绝缘、可靠性高、安装方便等优点。在研制过程中借鉴了国外知名企业产品的工艺技术，同时也充分利用了现有成熟的半导体集成电路的封装技术。

集成功放；模块；环氧树脂；灌封

1 引言

功率半导体模块采用了很多新的封装工艺，因而具有更多新的功能，在国内外得到了广泛的应用[1]。如何使其效率更高、体积更小、重量更轻、成本更低、更加可靠耐用，一直是设计者不断努力的方向。从一些国外功率模块产品的剖析中，不难发现其模块普遍采用了焊接技术和树脂灌封工艺，并且有选择地兼容了压接和键合方面的合理技术。国外同类产品采用焊接工艺不仅降低了模块的成本，也增大了模块内部集成空间。采用灌封工艺则使模块具有更好的防潮、耐辐射、耐气候老化等性能，保证了维持芯片正常工作的基本外在条件。焊接和键合技术的合理应用较好地处理了高压器件热学方面及电学方面存在的一些问题。

2 集成功放模块设计基础

功放模块的制作技术在很大程度上借鉴了半导体集成电路的封装技术[2]，其工艺流程图如图1。

图1 功放模块的工艺流程图

其中关键工艺为焊接工艺、键合工艺和灌封工艺。焊接工艺多采用的是钎焊工艺，通过烧结的方式将芯片、基板和底座进行连接，形成牢固的连接关系及良好的散热通道。键合工艺主要有金丝球焊和楔焊工艺两种，通过选用不同型号、材质的键合丝进行键合，以将芯片和引脚进行有效的电连接[3]。灌封工艺则包括了灌注材料的选择、灌注及固化和后处理等诸多工艺技术。

设计者在进行功率模块设计时，不但应该考虑到各工艺的技术特点，还应充分考虑以下因素：

（1）模块的结构设计，从电学和热学角度出发，尽量缩短芯片和散热器之间的距离及芯片和主电极引出端之间的距离，进而形成良好的热传递路径，使模块的热阻最小且能保持良好的电性能，这一点在前期进行功放模块设计时尤为重要；

（2）模块的材料选择，应充分考虑各部件之间热膨胀系数的匹配问题，以使各部件之间所受的应力最小，进而避免由于芯片的碎裂、键合丝的倒曲、脱键以及铜底板的弯曲所引起电性能失效、底板与散热器接触不良等诸多问题。

3 模块的结构设计和工艺要求

功率模块是将多只功率芯片按电路结构连接封装在一起的器件，它的电极与外壳绝缘，并多采用单面散热的结构，设计者从电学和热学角度出发，应尽量缩短管芯和散热面之间的距离及管芯和主电极引出端之间的距离，这样能有效减少模块的热阻，以防止热量的聚集，造成芯片功能的失效。考虑电力半导体器件的热阻与功耗的关系如下式：

式中：Rja为模块芯片与环境之间的热阻、Rjc为模块的结壳热阻、Rca为模块的外壳与散热器之间的热阻、Rcs为模块外壳与散热器之间的接触热阻、Rsa为散热器的热阻、Tj为模块芯片的温度、Ta为模块的使用环境温度、P为器件的通态耗散功率、VTM为器件的通态峰值压降、IAV为额定通态平均电流、VTO为器件的门槛电压。

由于不可避免地采用了绝缘陶瓷片和单面散热结构，进而增加了热阻，导致在同等芯片尺寸和同等散热条件下，模块的电流容量降低，因此对模块的结构设计和材料选取有较高要求[4]。

（1）芯片的选择原则：模块选择的芯片应满足其电性能的要求，在满足高电压、大电流要求的同时，由于导通电阻的存在，应该选择导通电阻小的芯片，以降低模块功率。模块采用的绝缘材料的热导率与铜底板的热导率相差很多，所以模块的热阻比分立式半导体器件大很多，而模块又是采用单面散热，因此必须通过降低芯片的功耗来弥补这一缺点，这也就要求了芯片的通态压降要尽可能的低。

（2）绝缘材料的选择标准：功率模块的外壳与电极绝缘，芯片与底板绝缘，还要利用底板散热。因此，用于模块的绝缘必须具有良好的绝缘（绝缘电压≥2 500V）和导热性能，能耐高温并有良好的机械抗压性能。常用的绝缘材料有Al2O3、BeO、AlN及DBC瓷片等，模块常用绝缘材料及其特点见表1。

表1 模块常用绝缘材料及其特点

（3）底板与电极的设计原则：要考虑底板散热以及基板与底板间不会因温度循环产生疲劳失效问题。电极设计要注意焊接面平整度与平行度以及克服应力的缓冲带设计。

（4）灌封材料的选择标准：灌封工艺是采用固体介质未固化前排除空气填充到元器件周围，达到加固和提高抗电强度的作用。因为功率模块内部组件较多，每种材料的物理化学性能不相同，要保证它们在电热环境中能稳定工作，选用的灌封材料要能在-40℃～85℃下长期使用，本身除了要有优异的电气绝缘、防潮、防水、防震、耐老化性能以及良好的物理机械性能外，还必须具有优良的化学稳定性。从产品特点来看，所选灌封材料还需要黏度适中、操作方便、可深层固化。

4 功放模块的研制过程及组装工艺

4.1 模块的材料选择

模块的材料选择主要从芯片的选取、绝缘材料的选取、底板与电极的选取三个方面来考虑：

（1）芯片的选取

该功放模块选用的芯片是VDMOS芯片，其具有开关速度快、输入阻抗高、负温度系数等优点。该模块采用的是多只VDMOS芯片并联的结构，以保证模块达到额定电流的容量。由于导通电阻的存在，应该选择导通电阻小的芯片型号，降低模块功率损耗。

（2）绝缘材料的选取

模块的绝缘片必须具有良好的绝缘和导热性能，能耐高温并有良好的机械抗压性能。高性能AlN陶瓷热导率高，价格较BeO便宜，线膨胀系数与Si接近，因此选取AlN陶瓷片作为模块的绝缘导热材料[5]。

（3）底板与电极的选取与设计

因为模块采用单面散热结构，散热底板和电极都采用紫铜镀Ni材料，提高了导热性与可焊性。同时主电极采用C形缓冲带，既能减小应力，又能减小分布电感。

4.2 模块的组装工艺

（1）芯片和基板的焊接：影响模块质量的主要因素是模块的焊接质量，特别是焊接空洞和虚焊的发生将严重影响模块的导热和导电性能。产生空洞的主要原因是焊接过程中助焊剂产生的气泡没有被彻底排除，进而残留在焊接面内形成空洞，或者是在焊接前对焊接面的清洗不彻底，导致虚焊等。而且空洞的产生与焊接时的外部气氛也有一定的关系，实践证明，大气软焊料焊接的空洞较多，而真空焊接几乎没有空洞[6]。因此我们在焊接工序中采用了真空烧结的工艺，并且在焊接的过程中利用特殊的模具在芯片上增加一定的压力，以减少空洞的产生及烧结工程中芯片的偏移，特别注意的是在烧结前还需对组件及模具分别进行超声清洗。

（2）铝丝键合：芯片之间互连以及芯片和电极之间连接均采用铝丝键合方式。直径几百微米的铝丝要长期通过十几安培的电流，较差的键合质量会造成不良后果，导致引线键合点脱落引起模块失效，因此要考虑电流容量和铝丝直径的关系，并提高键合质量。按照已有的集成电路组装工艺用1根100μm铝丝连接栅极，3根300μm铝丝连接源极，芯片漏极通过烧结方式直接与电极相连，这样既保证了通过的电流容量，又留有较大余量。有一些封装厂家为了提高键合强度，通常在键合前对芯片进行等离子清洗，但是对于功率器件芯片而言，实践证明，过度的等离子清洗会对芯片本身的电性能造成不可逆的影响。

（3）环氧树脂灌注：CK-6037环氧树脂具有高填充性和可靠性，可以提高模块的耐热性、降低吸水率，且导热性能好，非常符合模块灌注要求。由于模块在通态工作条件下，有一定的通态压降，会产生功耗，如果灌注材料中存在气泡，则会随温度升高而膨胀，致使内部压强增大，在模块工作的温度循环过程中，会出现破裂现象。因此必须保证灌封材料在按配比充分混合搅拌后进行真空脱泡，此外灌注的速度、压力和模具的温度对于灌注的质量也有着很大的影响，需要综合性地考虑，灌注后需进行固化脱模及后处理。

5 结束语

模块的研制过程是在现有半导体集成电路封装技术的基础上，借鉴国外产品通行的功率模块灌封材料及封装技术。依据用户提供的技术指标与功能要求，充分考虑了加工工艺线的实际情况以确定加工工艺。模块采用的MOSFET芯片是一种多子导电的单极型电压控制器件，具有开关速度快、高频特性好、热稳定性优良、驱动电路简单、驱动功率小、安全工作区宽、无二次击穿问题等优点。模块电路选择导通电阻小的芯片，对所有芯片坚持高温电参数筛选和配对，使在同一模块中的芯片参数一致；模块采用焊接结构形式，发热器件通过AlN陶瓷基板直接和散热底板相连，提高了散热效果；绝缘材料选择具有良好导热性能的AlN基板，面积较小，很好地解决了疲劳失效问题；金属散热底板和电极采用紫铜镀Ni，提高导热性能和可烧结性；环氧树脂灌注时严格保证按准确比例混合，进行真空脱泡操作，保证固化后不产生气泡；模块在生产过程中采取防静电措施，提高了模块可靠性。

［1］叶建明，张安康. 功率模块可靠性[J]. 电子产品可靠性与环境试验，1999，（3）：15-17.

［2］吴济钧，吴莉莉. 电力半导体模块及其工艺技术[J].半导体情报，2001，（1）：39-40.

［3］郭大琪. 陶瓷外壳封装的高引线数（VLSI的自动铝丝楔焊键合）[J]. 微电子技术，1996，（5）：55-57.

［4］张明勋. 电力电子设备设计和应用手册[M]. 北京：机械工业出版社，1999.

［5］田民汉，梁形翔. 高热导ALN——新型陶瓷基片及封装材料[J]. 半导体情报，1999，（1）：49-52.

［6］李建军，许振富，刘凤莉. 提高晶闸管模块焊接层质量的实验研究[J]. 齐齐哈尔大学学报，2001，（2）：63-65.

作者介绍：刘 笛（1984—），男，辽宁沈阳人，工学学士，助理工程师，东北大学工程硕士在读，现在中国电子科技集团公司第四十七研究所从事封装工艺研究及集成电路设计工作。

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