功率芯片高導熱膠接技術范文

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《電子機械工程雜志》2014年第三期

1試驗方法及過程

1．1測試件制作

用環氧貼片機在熱沉上點涂適量高導熱導電膠，將功率芯片粘接在熱沉上。將熱沉放置在烘箱中，分別以不同的參數固化高導熱導電膠，見表1。高導熱導電膠固化后，將熱沉壓接在封裝測試殼體上，配以外圍電路用于測試，如圖1所示。

1．2環境試驗及測試方法

1．2．1環境試驗參照GJB548B—2005《微電子器件試驗方法和程序》，對測試件做熱沖擊和溫度循環試驗，具體試驗條件如下:1)熱沖擊試驗的溫度為－55℃～125℃，循環次數為15次;2)溫度循環試驗的溫度為－55℃～125℃，循環次數為100次。

1．2．2膠層厚度測定芯片裝入測試件固化后，通過三維輪廓儀測量得到芯片和導電膠的厚度H，測量芯片可以得到厚度H0，導電膠厚度h為兩者之差，即h=H－H0。

1．2．3芯片剪切力測試參照GJB548B—2005《微電子器件試驗方法和程序》，對膠接芯片做破壞性剪切力測試，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膠透率測試功率芯片導電膠粘的膠透率通過超聲斷層掃描儀測試，超聲傳輸介質為純凈水，測試方向為芯片背面。

1．2．5紅外成像測試設定底板溫度為70℃，芯片漏壓額定10V，調節柵壓控制電流為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熱阻和導熱率計算［7］熱阻計算公式:式中:C為導熱率;θ為熱阻;S為芯片膠接/焊接面積;h為導電膠/金錫厚度。

2試驗結果與討論

2．1不同固化參數對膠透率的影響試驗分別以3種不同的溫度對高導熱導電膠進行固化。由固化參數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。高導熱導電膠的基材成分是環氧樹脂，在固化過程中經歷溶劑揮發—初步交聯—深度固化3個步驟。較低的溫度有利于溶劑揮發，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，高導熱導電膠固化不完全，收縮不到位;固化方法2#溫度較高，溶劑還沒來得及完全揮發，高導熱導電膠就固化了并將氣泡封在了膠體內，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域，如圖6所示。芯片局部高溫會使其可靠性下降甚至燒毀芯片，因此保證高的膠透率至關重要。

2．2膠層厚度對散熱性能的影響從熱阻計算公式和導熱率計算公式可以看出，在耗散功率、芯片面積和載體溫度均是定值的情況下，芯片最終的結溫與高導熱導電膠的厚度相關，且呈現反比關系。高導熱導電膠的厚度直接影響芯片的表面溫度，相關試驗及測試結果見表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上升趨勢。一般來說，砷化鎵MMIC芯片的設計溫度為175℃，建議使用的最高溫度不超過150℃，因此高導熱導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。同時將23．7μm的高導熱導電膠與24．1μm金錫進行比較，在20W耗散功率下，高導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)可以計算出高導熱導電膠的導熱率為56．3W/(m•K)，比標稱值低，這與測量方法和高導熱導電膠的膠透率有關。從總體來看，經過控制的高導熱膠散熱能力已經和金錫相當，完全能夠滿足功率芯片的散熱需求。

2．3環境試驗對剪切力的影響制作100只高導熱導電膠粘接樣品，隨機抽取50只在環境試驗前進行剪切力測試，剩余50只在環境試驗后進行剪切力測試，試驗結果如圖7所示。圖7顯示了環境試驗前后芯片的剪切力分布。環境試驗前芯片剪切力的中位數值為132．50N，最大值為236．75N，最小值為70．230N;環境試驗后芯片剪切力的中位數值為114．78N，最大值為200．18N，最小值為62．43N。環境試驗后芯片的剪切力有整體下降的趨勢，但其最小值依然能夠滿足GJB548B—2005《微電子器件試驗方法和程序》中不小于50N的要求。因此，高導熱導電膠粘功率芯片在機械連接上是安全可靠的。

3結束語

本文使用一種高導熱導電膠代替金錫，實現了功率芯片與熱沉的互聯，將操作溫度由300℃降到了200℃。通過固化參數的優化實現了90%以上的高膠透率的芯片粘接。同時，紅外成像測試和導熱率計算表明，高導熱導電膠的散熱能力已基本和金錫相當，能夠滿足功率芯片的散熱需求。環境試驗驗證表明，功率芯片膠粘的剪切力能夠滿足國軍標要求，具有長期工作的可靠性。

作者：紀樂單位：南京電子技術研究所