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(mǎn)足人類(lèi)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(hù)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(chē)，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(chē)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(hù)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?；谶@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(mǎn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)鍵合以及導(dǎo)體跡線(xiàn)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(xiàn)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(lèi)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)用于互連Si管芯到導(dǎo)體。
選線(xiàn)也是改善引線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)鍵合性能。

圖4：Pd摻雜Au上的Au焊線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(hù)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?？煽啃詳?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]?；趫D8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(xiàn)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?；谖覀?年的學(xué)習(xí)曲線(xiàn)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(xiàn)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(hù)提供Vectron晶振原裝正品。

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