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FH0189封裝工藝改進及其可靠性工程研究

日期:2020年07月24日 編輯:ad201107111759308692 作者:無憂論文網 點擊次數:653
論文價格:150元 論文編號:lw202007182222321427 論文字數:43222 所屬欄目:工程碩士論文
論文地區:中國 論文語種:中文 論文用途:碩士畢業論文 Master Thesis

本文是一篇工程碩士論文,本文主要對 FH0189 熱可靠性和封裝工藝改進進行了分析與研究,主要工作內容如下:(1)在 FH0189 典型失效案例中,通過器件電路原理、封裝結構和功率 BJT常見失效機理的研究,結合失效分析的方法和程序,通過功能測試和 X 射線迅速收斂故障點,定性判定器件可能存在封裝散熱不良的情況。在此基礎上引入熱阻的概念和熱阻測試,對器件進行熱可靠性分析,定量得出器件熱失效是由于封裝熱阻大所導致的,并進一步通過對微分結構函數的分析得出:封裝熱阻大是由粘接層熱阻大所造成的。(2)在 FH0189 熱阻測試中,因為熱電偶無法準備測量殼溫,運用傳統熱阻測試的方法,很難精確測量結到殼的熱阻。因此,采用瞬態雙界面測試法,測量瞬態熱阻抗曲線,然后運用數學變換獲得結構函數曲線,通過比較微分結構函數曲線準確獲取封裝結到殼的熱阻,并在此基礎上準確計算出應用條件的芯片結溫。


第一章  緒論


1.1 研究背景及意義

人們原認為功率相對較低的晶體管的發明,將使所有的電子冷卻即使不是完全取消,也至少可以大大減少。然而,這種想法并未維持多久,由于工程師們為了改善器件性能、價格以及可靠性而把大量的電路封裝在一個越來越小的空間。事實上元器件級的功率密度在逐年劇增。計算機主機中芯片的功率耗散范圍可達 20W至 40W,在許多個人電腦和工作站的應用中,芯片功率耗散也可超過 10W。以計算機主機為例,一塊耗散功率為 30W 的 7mm×7mm 芯片,其產生的熱流密度大于 6×105W/m2。

要承受這樣高的熱流密度又要維持相對低的器件溫度這是當今熱工工程師所面臨的挑戰之一。并且電子器件所允許達到的工作溫度水平不只取決于性能要求,而且還取決于越來越迫切的可靠性要求。由于溫度同時影響集成電路和封裝的失效機理,因此有時必須減低其平均工作溫度又要減少圍繞平均溫度的變化,所有這些還會因微電子器件工作在一個很寬的環境溫度范圍而變得更為復雜。

FH0189 是作者所在公司經典雙功率運算放大器,在諸領域有著廣泛的應用,自然也會存在部分產品因潛在缺陷未被有效篩選剔除而在應用中發生失效的情形。缺陷定位和失效分析在高可靠、高質量電子封裝的生產中起重要作用。缺陷的鑒別和分析以及后續這類缺陷的減少或消除,都可以使制造工藝得到重大的改進,從而獲得高質量的封裝。 

通過對 FH0189 典型熱失效問題和結到殼熱阻的研究,挖掘器件的潛在缺陷,明晰失效機制,從根本上改進封裝材料、封裝工藝和篩選試驗,將封裝的粘接空洞率降至 10%以下。這不僅有助于提高 FH0189 產品的合格率和可靠性,也有助于拓展新的封裝材料和封裝工藝的研究,為后續研制高密度功率器件和模塊的熱管理和熱設計提供理論依據和技術支持。 

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1.2 研究現狀

1.2.1  電學法熱阻測試研究現狀

熱阻(一個模擬于電阻的參數)是表征半導體器件熱特性的主要參數,其中功率器件的結殼熱阻θ??是檢測和篩選器件的重要指標。在熱阻測試中,有紅外熱成像、光纖溫度測試探針等方法,而由固態技術協會(JEDEC)提出的電學法熱阻測試是目前最流行的方法。電學法是指利用的一些跟溫度相關的狀態參數,間接測量出結溫,進而得到熱阻等數據。這些跟溫度具有相關性的參數稱為(Temperature Sensitive Parameters,TSP)溫敏參數[1],通過對這些熱敏參數的監測,能夠實現二極管、三極管以及集成電路等有源器件結溫和熱阻的在線測量。電學法測試分為穩態熱阻測試和瞬態熱阻測試,其中穩態測試計算從芯片有源區到參考點之間的熱阻,用以估算器件在給定功率下的發熱量或者溫度,但是穩態測試能夠得到的數據有限,所以主要用于衡量器件的散熱性能,以及確定器件的額定耗散功率和老煉或功率循環實驗條件等,而難以用于器件的封裝缺陷檢測及診斷,更無法評估器件封裝內部各層結構對器件熱特性的影響[2]。而瞬態熱測量能夠將含有熱阻和熱容的結構函數從器件的瞬態熱響應曲線中經數學處理解析出來,并應用結構函數對器件在傳熱路徑上的結構特性進行分析,能夠非破壞性地獲得結殼熱阻θ??中各組成部分熱阻的大小[3],以此實現對器件封裝結構的熱分析和熱設計。

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第二章  FH0189 功率運算放大器產品分析


2.1 電路分析

FH0189 產品由兩路具有相同功能的單片電路構成一完整的混合集成電路,并貼裝在陶瓷基片過渡片上,除了電源端(2 腳和 6 腳)共用外,其它端子都具有單獨的功能。在封裝上,任一端子均與外殼隔離,無外補償和調零,應用十分方便。

電路具有以下特征:

(a)輸出電流可達 5A;

(b)使用的電源電壓達±40V;

(c)結型場效應管(FET)輸入方式,具有很高的輸入阻抗;

(d)引出端與外殼電隔離,應用更加方便;

(e)電路設計中引入了熱檢測、自散熱、熱保護等安全措施,使器件更加安全可靠工作。

FH0189 的電路框圖(1/2)見圖 2-2,其電原理圖見圖 2-3。

圖 2-2 FH0189 電路框圖(1/2)

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第三章 失效分析和熱阻測試 ......................... 12

3.1  微電子器件失效分析技術簡介 ............................. 12

3.2  熱阻測試簡介 .................................. 13

第四章 FH0189 典型失效案例研究 ..................... 20

4.1  問題概述 ................................. 20

4.1.1  樣品信息 ............................... 20

4.1.2  故障現象 ................................ 21

第五章 封裝工藝改進 .............................. 44

5.1  混合微電子簡介 ................................... 44

5.2  工藝所存在的問題 ..................................... 44


第五章  封裝工藝改進


5.1 混合微電子簡介

混合微電子技術是電子封裝技術的一個分支,它與其他分支的不同之處在于產生互連圖形?;旌想娐返幕A是由某種耐熔陶瓷制造的基板。在基板上,通過某種膜技術制作金屬化圖形以形成安裝焊盤和電路印制線,并用于鍵合和互連所必需的外加有源器件和無源元件?;旌想娐芳夹g的另一特點是能夠制造無源元件。例如,能夠使用厚膜和薄膜技術制造電阻,其性能優于在印制電路板上常用的碳膜電阻。

混合電路最為普遍接受的定義是:在金屬化基板上至少含有兩個元器件,其中之一必須是有源器件。該定義旨在排除單芯片封裝和只含有無源元件,例如電阻網絡的電路。按照這個定義,一個混合電路的范圍可以從單個二極管-電阻邏輯門直到含有超過 100 塊 IC 電路[40]。

圖 2-4 P 溝道場效應管版圖和電路

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第六章  結論


6.1 本文的主要貢獻 本文主要對 FH0189 熱可靠性和封裝工藝改進進行了分析與研究,主要工作內容如下:

(1)在 FH0189 典型失效案例中,通過器件電路原理、封裝結構和功率 BJT常見失效機理的研究,結合失效分析的方法和程序,通過功能測試和 X 射線迅速收斂故障點,定性判定器件可能存在封裝散熱不良的情況。在此基礎上引入熱阻的概念和熱阻測試,對器件進行熱可靠性分析,定量得出器件熱失效是由于封裝熱阻大所導致的,并進一步通過對微分結構函數的分析得出:封裝熱阻大是由粘接層熱阻大所造成的。

(2)在 FH0189 熱阻測試中,因為熱電偶無法準備測量殼溫,運用傳統熱阻測試的方法,很難精確測量結到殼的熱阻。因此,采用瞬態雙界面測試法,測量瞬態熱阻抗曲線,然后運用數學變換獲得結構函數曲線,通過比較微分結構函數曲線準確獲取封裝結到殼的熱阻,并在此基礎上準確計算出應用條件的芯片結溫。

(3)在 FH0189 真空合金焊工藝改進中,在保證良好的焊料流動和潤濕的情況下,峰值溫度下的保持時間應該盡可能短的前提下,調優了芯片和基片焊接溫度曲線,不僅使基片與管殼的焊料溢出少,同時保障空洞率低和焊接強度高;

(4)在 FH0189 焊接工藝改進中,確定了在真空合金焊的工藝下,基片焊接采用 0.05mm 的金錫焊片比 0.1mm 的金錫焊片具有更好的焊接質量。

(5)在 FH0189 真空焊接工藝改進中,確定了真空燒結爐中基片和芯片燒焊的工裝位,保障焊接質量一致性和量產需求。

參考文獻(略)

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