周昊，劉世超，申艷艷，程凱

（中國電子科技集團(tuán)公司第55研究所，南京210016）

封裝、組裝與測試

大尺寸CMC外殼的平面度研究

周昊，劉世超，申艷艷，程凱

（中國電子科技集團(tuán)公司第55研究所，南京210016）

以某款陶瓷外殼為例，研究了零部件與焊接質(zhì)量的關(guān)系。通過選取匹配的材料參數(shù)，降低了共晶焊接時的熱應(yīng)力與變形量。利用理論計算和Abaqus仿真模型討論了陶瓷外殼平面度與外殼零件材料屬性的關(guān)系，以及造成陶瓷外殼平面度差異的原因。

陶瓷外殼；CMC；平面度

1 引言

以SiC和GaN基為代表的三代半導(dǎo)體器件以其超高頻、大功率和耐高溫的優(yōu)良特性，廣泛應(yīng)用在功率放大模塊中。其中，可承受的工作結(jié)溫可高至500℃[1]。由于聚合物材料較差的耐熱性、低可靠性，大功率器件一般選用陶瓷封裝。陶瓷外殼多采用Cu基合金作為熱沉材料以便給功率器件提供良好的散熱通道。鎢銅、銅-鉬-銅（CMC）、銅-鉬銅-銅（CPC）等材料因其高熱導(dǎo)率在功率器件封裝中使用廣泛。

功率器件通過多級放大電路實現(xiàn)大功率信號輸出。隨著多級匹配電路數(shù)量的增加，陶瓷封裝尺寸隨之增大。為了降低芯片共晶焊接時的空洞率，平面度是大尺寸陶瓷外殼設(shè)計時的重要考慮因素。CMC材料在散熱、輕量化及共晶焊適配性方面都優(yōu)于WCu和 CPC材料。但是由于大尺寸CMC陶瓷外殼平面度差，限制了CMC材料在大尺寸功率器件封裝中的應(yīng)用。

本文以一種用于大尺寸功率GaN器件封裝的陶瓷-金屬墻外殼為例，分析了造成大尺寸CMC陶瓷外殼平面度差的原因，提出了解決問題的理論模型，可為其他類似陶瓷-金屬墻外殼設(shè)計提供參考。

2 問題

陶瓷外殼由南京電子器件研究所封裝事業(yè)部的多層高溫陶瓷生產(chǎn)線制造[2～3]。高溫共燒陶瓷技術(shù)是一種多層陶瓷技術(shù)，是指通過流延將陶瓷粉體和有機(jī)溶劑一起制成具有一定厚度的生瓷帶，在生瓷帶上利用激光或機(jī)械方式?jīng)_孔、金屬化導(dǎo)體填孔，形成垂直方向上層與層之間的電氣互連，然后利用絲網(wǎng)印刷工藝在生瓷帶上印刷金屬化圖形，形成水平方向上的電氣互連，再經(jīng)過疊片、層壓，從而形成三維互連層結(jié)構(gòu)。在1500～1700℃左右燒結(jié)，制成具有三維電路網(wǎng)絡(luò)的無源集成陶瓷組件。在陶瓷組件的基礎(chǔ)上，用Ag72Cu28做釬料將框架、引線、熱沉等金屬零件焊接在一起，最后對外殼的陶瓷金屬化及金屬零件進(jìn)行鍍覆處理。

表1 外殼的組成和材料

圖1 外殼的結(jié)構(gòu)模型

本文研制的外殼結(jié)構(gòu)如圖1所示。組成陶瓷外殼的零部件及材料見表1。外殼外形尺寸為40.10 mm× 21.50 mm×4.55 mm（長×寬×高）。外殼在釬焊后的平面度差，使用該外殼進(jìn)行微組裝時，芯片與外殼的界面層孔隙率大。焊接空洞率影響芯片的散熱及可靠性，是判斷芯片粘結(jié)好壞的關(guān)鍵指標(biāo)之一［4～5］。

3 分析和模型計算

采用Abaqus軟件對外殼釬焊過程進(jìn)行熱應(yīng)力分析。采用有限元方法分析外殼釬焊過程時，要合理地簡化仿真過程。首先假設(shè)釬焊過程中焊料失塑點處于“零應(yīng)力狀態(tài)”。將焊接溫度與室溫的溫差作為溫度載荷，并假設(shè)為熱輻射條件，整個封裝幾何模型作為求解區(qū)域，把求得的應(yīng)力值作為所求的殘余應(yīng)力。其次假設(shè)整個釬焊封接過程中的材料均為理想的線彈性，在整個計算過程中不發(fā)生塑性形變，計算用的物理參數(shù)如表2所示。

表2 材料物理性能

陶瓷外殼一般由多種不同材質(zhì)的零件組成，如果僅用Abaqus軟件中的等效應(yīng)力模式進(jìn)行釬焊熱應(yīng)力分析，容易獲得與實際不匹配的結(jié)果。模型分析采用Mises等效應(yīng)力來分析釬焊后整體外殼殘余應(yīng)力分布規(guī)律，同時結(jié)合S11、S22和S33的主應(yīng)力模式來分析各零件之間的受力形式，進(jìn)而在理論上表征外殼焊接的過程。

圖2 釬焊后外殼熱沉部分的殘余應(yīng)力云圖

圖2是外殼釬焊后熱沉部分的殘余應(yīng)力分布圖。結(jié)果表明外殼經(jīng)過釬焊后，熱沉表面發(fā)生向下翹曲的形變。外殼的應(yīng)力集中主要分布在熱沉與框架重疊的區(qū)域。外殼框架開槽的區(qū)域拉應(yīng)力與壓應(yīng)力不平衡，抑制了熱沉焊接時的自由變形，導(dǎo)致外殼焊接后產(chǎn)生形變。固體的線膨脹系數(shù)公式如下：

α：熱膨脹系數(shù)；T：溫度；L：材料尺寸。

將上述公式兩邊積分，再進(jìn)行泰勒展開，可得：

將不同材料的部件代入公式組成方程組，可得：

將式（3）減去式（4）可得：

公式（5）說明外殼進(jìn)行高溫釬焊時，不同材料的零件在升溫、降溫過程中變形量不一致，并且這種變形差異與熱膨脹系數(shù)差值相關(guān)。在已建好的模型中將熱沉材料的熱膨脹系數(shù)調(diào)整至與可伐一致，并比較更改前后外殼仿真模型的位移云圖。位移云圖選取U3作為主應(yīng)變，變形系數(shù)均為40。結(jié)果如圖3所示，當(dāng)減小熱膨脹系數(shù)差異后，外殼的翹曲明顯減少，熱沉部分的形變分布更均勻。外殼熱沉部分的最大位移從更改前的20 μm降至7 μm。

圖3 釬焊后外殼的位移云圖

4 試驗和測試

陶瓷外殼的框架主要用于封帽和結(jié)構(gòu)支撐，一般選用可伐材料，可供替換的材料選擇范圍窄。陶瓷外殼的熱沉通常選用銅基合金，調(diào)節(jié)Cu在合金中的比例可獲得不同的熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率，選擇范圍較廣。為了驗證模型的分析結(jié)果，選取3種使用不同組分的Cu基合金熱沉的外殼，分別命名為外殼1、外殼2和外殼3。3種外殼的材料組成如表3所示。其中，復(fù)合熱沉由CMC/CPC兩種材料復(fù)合而成。根據(jù)目標(biāo)熱膨脹系數(shù)，采用Turner模型計算外殼3中復(fù)合熱沉中單一熱沉的熱膨脹系數(shù)。

表3 3種外殼的名稱與材料組成

利用德國CYBER公司的CT-300型激光檢查儀測量外殼熱沉背面的平面度。首先，將被測外殼平放在測試臺上。其次，利用測光測試儀，選取一定的布點測量外殼熱沉表面，獲得記錄數(shù)據(jù)。最后，將最大與最小讀數(shù)的差值近似作為平面度誤差。測量方法參照國標(biāo)《形狀和位置公差GB 1958-80》。

5 實驗結(jié)果

選取釬焊后的3種外殼各10只，統(tǒng)計的測量結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明，隨著熱沉與框架之間熱膨脹系數(shù)差異的增加，外殼翹曲度增大，與模型計算和分析結(jié)果一致。3種外殼的熱沉與框架熱膨脹系數(shù)如表5所示。

功率器件中常用的GaN芯片的熱膨脹系數(shù)在5.6～6.0（×10-6/℃）之間。為了降低共晶焊接時的熱失配，外殼熱沉的膨脹系數(shù)應(yīng)當(dāng)與GaN接近。盡管通過調(diào)節(jié)合金比例，可以獲得可伐膨脹系數(shù)相近的CMC熱沉以改善陶瓷-金屬墻外殼平面度。但是單一材料熱沉的膨脹系數(shù)無法與GaN芯片匹配。復(fù)合熱沉的設(shè)計方案不僅可以獲得平面度好的陶瓷外殼，還能與GaN芯片達(dá)到熱適配，提高芯片共晶焊接成品率。

表4 3種外殼的翹曲度

表5 3種外殼不同部件的熱膨脹系數(shù)

6 結(jié)論

通過研究某款大尺寸CMC陶瓷-金屬墻外殼，找到了影響該類型外殼翹曲度的原因。外殼翹曲度與框架、熱沉之間的熱膨脹系數(shù)差值密切相關(guān)，理論模型和實驗結(jié)果都表明減少上述差異可改善外殼翹曲度。

制造技術(shù)，2014，8：15-17.

[1]王麗，王翠梅.第3代半導(dǎo)體材料GaN基微波功率器件研究和應(yīng)用進(jìn)展[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2014，3：13-17.

[2]龐學(xué)滿，曹坤，等.低損耗陶瓷技術(shù)研究[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2012，32(5)：502-505.

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[5]姬峰，王興茂.微波功率芯片真空共晶工藝研究[J].航天

Research on Flatness of Large CMC Package

ZHOU Hao,LIU Shichao,SHEN Yanyan,CHENG Kai
（Nanjing Electronic Devices Institute,Nanjing210016,China）

The relationship between the components and soldering quality in ceramic package is discussed in the paper.The stress and the deformation are reduced by selecting suitable parameter of the parts in the ceramic package.The relationship between the ceramic package's flatness and the eutectic soldering and its cause are explored by theoretic analysis and Abaqus simulation.

ceramic package;Cu-Mo-Cu;flatness

TN454

A

1681-1070（2017）02-0001-03

2016-9-13