隨著工業(yè)化與科技化的發(fā)展，陸地資源早已開(kāi)始無(wú)法滿足人類的需求，迫切的需要轉(zhuǎn)戰(zhàn)地下，地鐵是城市的標(biāo)志，深藏于地下億萬(wàn)年的資源，從上個(gè)世紀(jì)開(kāi)始，廣泛被開(kāi)采應(yīng)用到生活中。這些活動(dòng)所需要的機(jī)械設(shè)備，都應(yīng)用了有機(jī)材料封裝技術(shù)制造電子模塊，該模塊的耐熱性要求非常高，其生產(chǎn)環(huán)境的工作溫度范圍提高到225℃，在此之前最高不過(guò)177℃。Vectron晶振公司是美國(guó)頻率控制元器件制造商，同時(shí)也是高溫電子模塊方案的設(shè)計(jì)供應(yīng)商。
除了在工作溫度上限，熱循環(huán)，高頻沖擊和振動(dòng)方面的性能改進(jìn)，根據(jù)我們客戶的可靠性測(cè)試數(shù)據(jù)，密封的高溫混合模塊的生存能力可以在225ºC高溫儲(chǔ)存條件下超過(guò)7000小時(shí)的MTTF以及其他環(huán)境矩陣測(cè)試。此外，與高溫貼片晶振和Thru-hole技術(shù)相比，Hybrid Microcircuit可提高封裝密度并節(jié)省寶貴的空間。Vectron International已成功利用混合技術(shù)為200ºC至225ºC應(yīng)用生產(chǎn)數(shù)千個(gè)高溫電子模塊。本文介紹了使用這種技術(shù)進(jìn)行井下應(yīng)用的225ºC高溫電子模塊的封裝設(shè)計(jì)。本文還將介紹該高溫混合模塊的材料選擇，制造工藝和一些可靠性數(shù)據(jù)。
極端環(huán)境應(yīng)用要求電子系統(tǒng)能夠在-55°C至+125°C的熟悉MIL-STD工作溫度范圍內(nèi)存活。Deep WellLogging Tools（傳感器，儀表和數(shù)據(jù)采集等），地?zé)釡y(cè)井，輕型地面和飛行器以及工業(yè)過(guò)程監(jiān)控等應(yīng)用需要可在200°C及更高溫度下運(yùn)行的強(qiáng)大電子系統(tǒng)。
此外，這些應(yīng)用中的一些還需要在高沖擊和振動(dòng)環(huán)境下的生存能力。汽車，商用和軍用飛機(jī)的運(yùn)輸和電子需求的燃料消耗需求等市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)因素不斷擴(kuò)大。雖然目前高溫電子產(chǎn)品的市場(chǎng)規(guī)模很小，并且一直受到石油測(cè)井行業(yè)的支配，但如果汽車市場(chǎng)開(kāi)放，它可能會(huì)發(fā)展很大。航空航天是另一個(gè)近期有希望的領(lǐng)域[。至少可以說(shuō)，部署高溫電子設(shè)備的好處包括：1）通過(guò)大型散熱器或熱管設(shè)計(jì)消除輔助冷卻的需求;2）更輕的重量和更小的尺寸和3）將傳感器和其他傳感器直接集成在感興趣的關(guān)鍵位置。在本文中，我們將討論用于測(cè)井工具應(yīng)用的高溫電子模塊的制造經(jīng)驗(yàn)。我們還將討論針對(duì)此特定應(yīng)用的包裝設(shè)計(jì)方法。最后，將討論我們的客戶QuartzdyneInc.提供的混合模塊的一些可靠性數(shù)據(jù)。
高溫電子模塊：
在過(guò)去的四年中，美國(guó)進(jìn)口晶振品牌Vectron International與另一家Dover公司Quartzdyne公司合作，利用Hybrid Microelectronics Technology開(kāi)發(fā)新一代井下壓力表，用于225°C應(yīng)用.Quartzdyne公司要求開(kāi)發(fā)一種強(qiáng)大的電子模塊，可以在200°C下連續(xù)工作，并能夠?qū)y(cè)試加速到225°C。此外，電子模塊必須承受高沖擊沖擊和振動(dòng)，以模擬實(shí)際的井下鉆井環(huán)境。基于這樣的設(shè)計(jì)要求，我們的電子模塊經(jīng)常在高溫存儲(chǔ)，溫度循環(huán)和大量重復(fù)的1米自由落體跌落測(cè)試中進(jìn)行測(cè)試，以提供質(zhì)量保證。由于其強(qiáng)大的性能，混合微電路模塊已集成到石英壓力表中，這些壓力表已部署在油田中用于“隨鉆測(cè)井”和“永久測(cè)井”應(yīng)用。圖1顯示了自2000年以來(lái)生產(chǎn)的高溫電子模塊。

圖1：高溫電子模塊

除了每個(gè)生產(chǎn)批次的獨(dú)特的Quartzdyne Life/Cycle測(cè)試要求外，每個(gè)單獨(dú)的模塊還要滿足100％的篩選要求。篩選測(cè)試方案包括：1）從25°C到225°C的15個(gè)溫度循環(huán)，2）225°C老化存儲(chǔ)125小時(shí)和3）10個(gè)1米自由落體滴到鋼板上.Quartzdyne估計(jì)了對(duì)鋼板的影響基于在較低沖擊下測(cè)量的數(shù)據(jù)外推，1米自由落體下降約為1百萬(wàn)克（1微秒）[2]。在過(guò)去的4年中，Vectron International已經(jīng)生產(chǎn)了3000多種混合高溫模塊。
封裝設(shè)計(jì)方法為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，高溫電子模塊采用以下方法設(shè)計(jì)：
•用無(wú)機(jī)陶瓷基板材料替換高溫PCB
•使用多層厚膜制造技術(shù)來(lái)提高包裝密度
•選擇可結(jié)晶的介電成分，在內(nèi)導(dǎo)體層之間提供可靠的絕緣
•密封定制金屬封裝，以機(jī)械方式保護(hù)電子電路，遠(yuǎn)離腐蝕性，潮濕的環(huán)境
•使用Pd摻雜的Au厚膜組合物為Au和Al引線鍵合提供可靠的導(dǎo)體表面
•使用高Tg熱塑性粘合劑材料，提供可靠的基材-金屬包裝附件
•精心上傳和選擇組件
多層厚膜基板：
選擇96％Al2O3材料作為本申請(qǐng)的基礎(chǔ)基底材料。Al2O3襯底與MLC芯片電容器和基于氧化鋁的薄膜和厚膜電阻器提供更好的CTE匹配。模塊的基板總共有5個(gè)金屬層和181個(gè)過(guò)孔，用于互連所有導(dǎo)體層。整個(gè)制造過(guò)程包括23個(gè)篩選序列。
填充且可結(jié)晶的介電組合物用于在導(dǎo)體層之間提供優(yōu)異的絕緣性能。Dielectric材料還提供與基礎(chǔ)襯底相匹配的出色CTE。通過(guò)適當(dāng)?shù)墓に嚳刂坪椭圃旃に嚕珼ielectric材料可提供極其光滑的表面狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)堅(jiān)固的引線鍵合。多層厚膜基板的整體尺寸為45.72mm（1.800“）Lx9.65mm（0.380”）Wx0.635mm（0.025“）T。

圖2：Quartzdyne壓力計(jì)工具的橫截面視圖

最后，多層厚膜基板提高了整體封裝密度，并有助于將石英壓力表的尺寸從1英寸外徑減小到0.75英寸外徑，如圖2所示。
采用金屬封裝的密封密封：
氣密密封可防止機(jī)械損壞和大氣污染物的侵入。我們的高溫模塊包括：1）有源晶振-IC和晶體管芯片，2）無(wú)源元件-薄膜NiCr電阻器，厚膜片式電阻器和MLC芯片電容器，3）互連-Au和Al引線鍵合以及導(dǎo)體跡線陶瓷基板。有充分證據(jù)表明，半導(dǎo)體芯片非常容易受到污染物（如水分，空氣傳播顆粒和離子污染物）和各種氣體（如氨，二氧化硫，二氧化碳和氫氣）的影響[3??]。
此外，減少或消除水分，離子污染物和鹵素氣體污染物可以改善引線鍵合的可靠性并防止由于水分?jǐn)U散到聚合物材料而導(dǎo)致的銀遷移和氧化。除了在具有全濕度和溫度控制的10K級(jí)潔凈室環(huán)境中組裝高溫電子模塊之外，所有模塊在干燥氮?dú)夂褪痔紫鋬?nèi)通過(guò)接縫密封工藝在干燥氮?dú)夂驼婵窄h(huán)境中經(jīng)歷穩(wěn)定烘烤過(guò)程。接縫密封后，所有模塊均按照MILSTD-883方法1014.9進(jìn)行100％粗漏和細(xì)漏試驗(yàn)。
為了確保在高沖擊和振動(dòng)環(huán)境下的機(jī)械強(qiáng)度，定制金屬封裝采用ASTMF-15合金制造，并在大縱橫比扁平外殼下方添加加固安裝桿，如圖3所示。

圖3：定制金屬Flatpack

I/O引腳采用玻璃-金屬匹配密封方法，采用7052硼硅酸鹽類玻璃材料。匹配密封中使用的所有材料的CTE必須在環(huán)境溫度和玻璃轉(zhuǎn)變溫度之間的任何給定溫度下緊密匹配，以防止在冷卻過(guò)程中過(guò)度的機(jī)械應(yīng)力損壞[4]。適當(dāng)?shù)慕饘偻嘶鸪绦蚝湾兘鸷穸纫?guī)格對(duì)于防止基底金屬擴(kuò)散到電鍍表面和捕獲的H2釋放是至關(guān)重要的。
引線鍵合：
微膠合兩種不同的金屬會(huì)導(dǎo)致相互擴(kuò)散和金屬間化合物的形成。選擇Pd摻雜的Au厚膜組合物來(lái)制造多層陶瓷基板，以實(shí)現(xiàn)可靠的Al和Au引線鍵合目的。Pd摻雜的Au導(dǎo)體產(chǎn)生相對(duì)穩(wěn)定的Au-Al-Pd三元化合物或界面處的Pd濃度，這減緩了Au和Al的擴(kuò)散并延長(zhǎng)了鋁芯鍵的壽命[5]。我們的混合微電路由98個(gè)Au焊線組??成，用于I/O引腳到導(dǎo)體和芯片電阻-導(dǎo)體互連。另一方面，混合微電路中總共有75個(gè)Al鍵合線用于互連Si管芯到導(dǎo)體。
選線也是改善引線鍵合熱循環(huán)疲勞失效的關(guān)鍵因素。更重要的是，諸如燒制形態(tài)，導(dǎo)體厚度和鍵變形等工藝參數(shù)會(huì)對(duì)工藝結(jié)果產(chǎn)生重大影響。良好粘合的線材在完全生長(zhǎng)狀態(tài)下表現(xiàn)出非常低的空隙濃度，導(dǎo)致在高溫下長(zhǎng)時(shí)間后更牢固，可靠的粘合[6]。圖4和圖5顯示了在高溫儲(chǔ)存條件下Au和Al的線鍵合性能。

圖4：Pd摻雜Au上的Au焊線的300°C高溫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)

組件和基板附件：
除了共晶焊接和粘合材料選擇外，附著材料的粘合線厚度和優(yōu)化的固化或釬焊溫度分布是控制空隙形成，氧化和除氣污染的重要因素。空隙的形成會(huì)直接降低元件附著的可靠性，特別是在溫度循環(huán)和高沖擊和振動(dòng)條件下。為了改善附著力和電氣性能，選擇共晶焊料來(lái)連接敏感的有源元件，如圖6所示。

圖5：Pd摻雜Au上Al焊線的300°C高溫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)

圖6：有源器件的共晶焊料附著

選擇高Tg聚酰亞胺粘合劑材料用于連接Si管芯和其他無(wú)源元件。另一種高Tg熱塑性粘合劑材料用于將混合微電路連接到金屬外殼。我們的晶振元件和基板連接工藝在高沖擊和振動(dòng)，溫度循環(huán)和高溫存儲(chǔ)環(huán)境下具有出色的耐久性。圖7列出了基于Y1軸上20Kg至30Kg恒定加速度測(cè)試的元件和基板附件可靠性數(shù)據(jù)。

圖7：20,000g至30,000g的恒定加速度測(cè)試數(shù)據(jù)

組件選擇：
高溫模塊的石英晶體振蕩器已根據(jù)客戶要求進(jìn)行了升級(jí)篩選。器件降額設(shè)計(jì)實(shí)踐和適當(dāng)?shù)臒峁芾碓O(shè)計(jì)實(shí)踐對(duì)于高溫下的整體電路性能至關(guān)重要。高溫應(yīng)用需要緊湊，熱穩(wěn)定和高能量密度的電容器。NPO（K66）MLC芯片電容器用于我們的混合微電路，因?yàn)樗哂谐錾腡CC和老化特性。關(guān)于電阻的選擇，我們的微電路中使用了薄膜NiCr和厚膜RuO2芯片電阻。可靠性數(shù)據(jù)高溫電子模塊的可靠性數(shù)據(jù)如圖8所示。
可靠性研究的詳細(xì)版本將通過(guò)Quartzdyne公司的“225°C井下混合電子封裝電路壽命測(cè)試”論文進(jìn)行討論[2]。基于圖8中的數(shù)據(jù)，我們的高溫混合模塊已證明具有生存能力。在225°C的破壞性壽命/循環(huán)測(cè)試下超過(guò)7000MTTF小時(shí)。由于混合模塊的成功，它已經(jīng)取代了Quartzdyne[2]提供的原始Thru-Hole產(chǎn)品平臺(tái)。

圖8：MTTF與測(cè)試溫度的關(guān)系圖

美國(guó)維管晶振和Quartzdyne在過(guò)去4年中不斷改進(jìn)的努力已經(jīng)取得成果。我們已經(jīng)識(shí)別，分析和改進(jìn)了我們的工藝，以消除根本原因的失敗。改進(jìn)領(lǐng)域包括晶體管附件，MLC芯片電容器附件，基板附件和引線鍵合。我們的共同目標(biāo)是在實(shí)際或模擬現(xiàn)場(chǎng)操作環(huán)境下不斷進(jìn)步以提高混合模塊的可靠性。結(jié)論我們已經(jīng)成功地展示了有效的封裝設(shè)計(jì)和制造能力，可生產(chǎn)225°C井下應(yīng)用的高溫電子模塊。基于我們4年的學(xué)習(xí)曲線以及QuartzdyneInc.提供的壽命/周期測(cè)試和故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我們不斷改進(jìn)線材，元件和基板附著區(qū)域的裝配工藝.Quartzdyne壽命/周期測(cè)試數(shù)據(jù)確保了高溫混合模塊在225°C破壞性基質(zhì)測(cè)試條件下的結(jié)果為7362MTTF小時(shí)[2]。
Vectron晶振自家生產(chǎn)的石英晶振和有源晶振性能優(yōu)良，耐高溫可在極端的環(huán)境下工作，可應(yīng)用到高溫電子模塊和井下探測(cè)等領(lǐng)域，金洛鑫電子擁有正規(guī)的訂購(gòu)渠道，可為廣大新老客戶提供Vectron晶振原裝正品。

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