紅外探測器封裝結構電學框架設計方法

馬 靜,袁羽輝，徐長彬

(中國電子科技集團公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

紅外焦平面陣列在工業、軍事、醫療以及科學研究領域有著廣泛的應用,比如夜視、紅外探測和追蹤。在整個紅外成像系統中,杜瓦封裝起著非常關鍵的作用。制冷型紅外探測器封裝結構與傳統封裝結構相比,其對溫度適配性、導熱率、材料強度等都有更高的要求[1]。在封裝結構設計中,電學框架設計是將混成芯片的電學信號引出到杜瓦內部接口,再由杜瓦內部接口轉接到外部接口,實現紅外探測器組件電性能引出。電學框架作為與混成芯片直接接觸的部分,其對電學性能、導熱、力學強度等都有極高的要求[2],是杜瓦封裝的關鍵部件。本文就電學框架加工采用的幾種材料進行性能對比,結合實際應用闡述不同情況下的框架材料選取規則,并針對不同材料及不同結構類型的電學框架概述框架設計方法。

2 常用電學框架加工材料

電學框架作為紅外探測器杜瓦封裝結構的一部分,其需要具備對高低溫適配性強、導熱率高、電阻率低、熱膨脹系數低以及較高的機械強度等優點,另外其還需具備較強的工藝加工性,能夠實現批量投產加工。因此在框架加工材料的選取上就需要考慮以上各種性能特點。

目前在紅外杜瓦封裝應用中,陶瓷材料封裝高可靠、耐高頻、耐高溫、氣密性強[3],是主要電學框架引出封裝形式,最常使用的有Al2O3、AlN、SiC 等。電學框架采用在這幾種陶瓷襯底上設計導帶引線的方法,達到混成芯片電學引出的目的。在超大面陣規模拼接封裝結構中,陶瓷框架因其加工工藝的局限,無法將框架無限做大,也可采用PCB電路板作為電學框架設計。因在大多數電學框架設計中最常采用的材料仍是陶瓷材料,故以下加工材料的對比,仍主要集中在幾種陶瓷材料的性能對比。圖1、圖2分別展示了拼接結構與單模塊結構的封裝示意圖。

圖1 Sofradir公司1500×2探測器拼接結構

圖2 Raytheon公司ORION 2k×2k單模塊

氧化鋁性能穩定,加工原料獲取渠道廣泛,且技術成熟,應用廣泛,在陶瓷封裝基片市場上可占到90 %的份額[4]。Al2O3其熱膨脹系數較AlN、SiC要高,其介電常數與AlN相當,但是其導熱系數不甚理想。目前國內可加工產線多,且工藝穩定,加工工藝精度好,適合進行大批量加工。

氮化鋁與氧化鋁相比,各方面性能都更為優越,非常適合作為電學框架基板材料,其熱膨脹系數與Si和GaAs也匹配良好。但是其制作工藝燒結溫度在1600～1800 ℃,燒結環境嚴苛,工藝難度大,成本高,目前國內只有少數產線具備加工能力,但是周期長、價格貴,且加工工藝精度不高。

碳化硅與硅的熱膨脹系數非常接近,可最大程度減小因熱失配造成的應力問題,且其硬度大,導熱好。但該種材料目前國內產線少,且制備技術與國外有一定差距,目前如作為電學基板加工材料,國內產線制備基板的絕緣性能并不好,無法達到絕緣要求。

表1、表2為幾種材料的參數和性能對比。從表格分析可發現,氧化鋁電學性能較好,其導熱和力學強度比氮化鋁和碳化硅差,但是其易于加工,生產周期比較好保證；氮化鋁在導熱和力學強度上優于氧化鋁,其電學性能略遜于氧化鋁,目前國內產線可滿足加工需求,但加工工藝有一定難度,因此其加工周期也長于氧化鋁；碳化硅其電學性能比其他兩種材料都差,雖然其在導熱和力學強度上有優勢,但是目前國內產線其框架加工能力無法保證電學絕緣性,因此該種材料受限于目前國內產線水平無法作為電學框架材料進行應用。

除以上幾種陶瓷材料框架,根據芯片規模及杜瓦封裝結構也可采Si片、寶石片以及PCB電路板等進行電學框架設計。

表1 陶瓷框架材料參數對比

表2 陶瓷框架材料性能對比

3 針對應用需求的電學框架加工工藝及加工材料選取

電學框架的首要目的是將探測器混成芯片的電學信號引出,保證其信號完整性和電源完整性；另外在很多杜瓦封裝結構設計中,電學框架還要作為杜瓦與混成芯片直接接觸的襯底,需要為芯片提供機械支撐,因此還需考慮框架與芯片之間的材料匹配,最終保證互聯后低應力、低形變。

通常框架加工工藝可分為單層和多層,材料的選取可以根據上一節的介紹選取氧化鋁、氮化鋁、PCB電路板、Si等。框架工藝采用單層或多層,主要由杜瓦結構的電學引出管腳數量決定；而材料選取的標準,主要由混成芯片規模、杜瓦封裝結構、對制冷和形變的要求等多方面因素決定。

3.1 單層框架

杜瓦封裝結構外引線數量多于芯片電學引出所需數量時,電學框架設計無需合并管腳,此類情況電學框架設計均可采用單層框架結構。圖3為SCD公司單層電學框架結構。

圖3 SCD公司單層電學框架結構

目前在混成芯片規模小于20 mm×15 mm的杜瓦封裝結構中,其電學框架大部分均采用單層Al2O3框架[1]。首先該規格的芯片電學引出管腳較少,杜瓦結構對外電學引出管腳無需電學框架合并即可滿足引出要求,因此可采用單層框架結構；其次芯片規模小,采用Al2O3材料加工與混成芯片互聯后應力可滿足大多數常規應用下的應力要求,另外Al2O3陶瓷材料工藝成熟,加工周期快、成本低,因此在小規模的混成芯片杜瓦封裝電學框架設計中,絕大部分均采用單層Al2O3框架設計。

在部分對于制冷和形變要求非常嚴格的應用中,因為AlN其熱膨脹系數和導熱率更好,其電學框架設計可考慮采用單層AlN框架。但AlN陶瓷需采用高溫燒結,其加工成本會高于Al2O3框架。

在小規模芯片多片拼接應用中,如果芯片拼接后電學引出管腳無需合并,其數量少于封裝結構的外引線數量,電學框架設計仍可采用單層框架結構。該種小規模芯片的拼接結構多采用電學框架作為混成芯片的拼接基板,正常Al2O3或AlN材料因為制作工藝的燒結尺寸受限,已無法作為拼接基板使用,且選用的材料需充分考慮多片混成芯片拼接后的低應力、低損傷以及導熱問題可采用Si片或藍寶石片等尺寸限制小的材料作為電學框架設計。

3.2 多層框架

當混成芯片電學引出管腳數量多于杜瓦封裝結構外引線數量,就需要對混成芯片的引出信號進行合并引出。電學框架設計既要保證芯片電學引出需求,又要保證杜瓦封裝電學引出結構的設計緊湊,此類情況電學框架設計均需采用多層框架結構。圖4為雷神公司多層框架結構。

圖4 雷神公司多層框架結構

多層共燒陶瓷因其良好的導熱特性以及較低的熱膨脹系數,在需要采用多層結構設計的電學框架中廣泛應用,其制造工藝根據燒結溫度可分為低溫共燒陶瓷(LTCC)和高溫共燒陶瓷(HTCC)兩種。低溫共燒的溫度一般為800～980 ℃,其生瓷帶材料為玻璃陶瓷混合體,導帶漿料可以為Cu、Au、Ag等,電阻率低,電學性能好,且制備工藝成熟,是市場上廣泛使用的多層陶瓷共燒工藝,但其缺點是熱膨脹系數高、導熱差[5]。高溫共燒的溫度一般為1650～1850 ℃,其生瓷帶材料為氧化鋁或氮化鋁陶瓷,導帶漿料因其燒結熔點高可選用W、Mo、Mn等,其性能與氧化鋁、氮化鋁相似,但是其缺點是電阻率高、電性能不如LTCC,且目前國內制備工藝難度大,氮化鋁HTCC成品率較低。

氧化鋁LTCC其熱膨脹系數、導熱和強度均存在不足,但是其電學性能優于HTCC,在電學框架僅用于電學引出的設計中可采用該種工藝,且其工藝成熟度好,加工周期短,因此在多層框架設計中得到廣泛應用。

氮化鋁HTCC其熱膨脹系數、導熱和強度與其他材料比均有優勢,在電學框架即用作基板又用作電學引出時氮化鋁HTCC是合適的選擇,該種選擇在實際應用中已得到廣泛應用驗證。但是其框架加工周期長,成品率低,且其電導率低不適用于高頻組件,在杜瓦結構設計時需要多方面衡量進行選型。

在超大規模拼接封裝結構中多層陶瓷框架其加工極限尺寸已無法滿足封裝結構電學框架需求,此種情況可考慮采用PCB多層電路板結構設計,既能滿足拼接結構設計又可保證電學合并引出需求。

表3為以上各種框架加工工藝和材料的選取比較。

表3 電學框架工藝選型

4 電學框架布線設計

電學框架設計需要滿足杜瓦結構設計要求,其中包括機械尺寸、熱性能、機械強度以及電學性能等多個方面。根據這幾個方面先對材料和工藝進行選型,選型確定才可確定其布線設計的電性能參數,包括導線電阻、絕緣電阻等。根據電性能參數和廠家提供的設計規則,才可開展布線設計。

布線設計要滿足信號完整性和電源完整性原則,信號完整性即指信號無損完整的傳輸,電源完整性即指供電滿足芯片需求。為了做到以上幾點,在布線設計首先需要考慮走線導通電阻以及走線間絕緣電阻,可通過設計走線寬度、走線間間距來調整導通電阻和走線間絕緣電阻；其次需要考慮數模信號隔離,可通過采用數字、模擬信號分層或分區域設計實現隔離；同時還需考慮重要信號的屏蔽隔離,可用上下層布線采用地線層進行屏蔽隔離。多層布線示意圖如圖5所示。

圖5 多層布線示意圖

在布線設計時對分層進行選擇,需考慮框架加工厚度對分層的限制；對鍵合區域進行設計,需結合具體鍵合工藝；布線的設計還需滿足廠家的加工需求。只有把布線設計和杜瓦具體工藝結合考慮才能使電學框架設計達到設計要求。

5 總 結

本文闡述了杜瓦封裝結構中電學框架的設計方法,從材料選擇開始,再到工藝選擇,最終到布線設計,介紹了電學框架設計的全過程。目前在小規模杜瓦結構電學框架設計,其工程應用中多采用單層氧化鋁框架,加工周期短、工藝穩定成熟；在大規模杜瓦結構電學框架設計可采用多層氧化鋁、多層氮化鋁、PCB多層電路板等；以上各種選型的電學框架布線設計都要滿足信號完整性和電源完整性,且需要符合杜瓦工藝及廠家加工工藝。綜合考慮以上各方面才能設計出即滿足電學引出需求又滿足杜瓦結構要求的電學框架。