红外探测器封装结构电学框架设计方法

马 静,袁羽辉，徐长彬

(中国电子科技集团公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

红外焦平面阵列在工业、军事、医疗以及科学研究领域有着广泛的应用,比如夜视、红外探测和追踪。在整个红外成像系统中,杜瓦封装起着非常关键的作用。制冷型红外探测器封装结构与传统封装结构相比,其对温度适配性、导热率、材料强度等都有更高的要求[1]。在封装结构设计中,电学框架设计是将混成芯片的电学信号引出到杜瓦内部接口,再由杜瓦内部接口转接到外部接口,实现红外探测器组件电性能引出。电学框架作为与混成芯片直接接触的部分,其对电学性能、导热、力学强度等都有极高的要求[2],是杜瓦封装的关键部件。本文就电学框架加工采用的几种材料进行性能对比,结合实际应用阐述不同情况下的框架材料选取规则,并针对不同材料及不同结构类型的电学框架概述框架设计方法。

2 常用电学框架加工材料

电学框架作为红外探测器杜瓦封装结构的一部分,其需要具备对高低温适配性强、导热率高、电阻率低、热膨胀系数低以及较高的机械强度等优点,另外其还需具备较强的工艺加工性,能够实现批量投产加工。因此在框架加工材料的选取上就需要考虑以上各种性能特点。

目前在红外杜瓦封装应用中,陶瓷材料封装高可靠、耐高频、耐高温、气密性强[3],是主要电学框架引出封装形式,最常使用的有Al2O3、AlN、SiC 等。电学框架采用在这几种陶瓷衬底上设计导带引线的方法,达到混成芯片电学引出的目的。在超大面阵规模拼接封装结构中,陶瓷框架因其加工工艺的局限,无法将框架无限做大,也可采用PCB电路板作为电学框架设计。因在大多数电学框架设计中最常采用的材料仍是陶瓷材料,故以下加工材料的对比,仍主要集中在几种陶瓷材料的性能对比。图1、图2分别展示了拼接结构与单模块结构的封装示意图。

图1 Sofradir公司1500×2探测器拼接结构

图2 Raytheon公司ORION 2k×2k单模块

氧化铝性能稳定,加工原料获取渠道广泛,且技术成熟,应用广泛,在陶瓷封装基片市场上可占到90 %的份额[4]。Al2O3其热膨胀系数较AlN、SiC要高,其介电常数与AlN相当,但是其导热系数不甚理想。目前国内可加工产线多,且工艺稳定,加工工艺精度好,适合进行大批量加工。

氮化铝与氧化铝相比,各方面性能都更为优越,非常适合作为电学框架基板材料,其热膨胀系数与Si和GaAs也匹配良好。但是其制作工艺烧结温度在1600～1800 ℃,烧结环境严苛,工艺难度大,成本高,目前国内只有少数产线具备加工能力,但是周期长、价格贵,且加工工艺精度不高。

碳化硅与硅的热膨胀系数非常接近,可最大程度减小因热失配造成的应力问题,且其硬度大,导热好。但该种材料目前国内产线少,且制备技术与国外有一定差距,目前如作为电学基板加工材料,国内产线制备基板的绝缘性能并不好,无法达到绝缘要求。

表1、表2为几种材料的参数和性能对比。从表格分析可发现,氧化铝电学性能较好,其导热和力学强度比氮化铝和碳化硅差,但是其易于加工,生产周期比较好保证；氮化铝在导热和力学强度上优于氧化铝,其电学性能略逊于氧化铝,目前国内产线可满足加工需求,但加工工艺有一定难度,因此其加工周期也长于氧化铝；碳化硅其电学性能比其他两种材料都差,虽然其在导热和力学强度上有优势,但是目前国内产线其框架加工能力无法保证电学绝缘性,因此该种材料受限于目前国内产线水平无法作为电学框架材料进行应用。

除以上几种陶瓷材料框架,根据芯片规模及杜瓦封装结构也可采Si片、宝石片以及PCB电路板等进行电学框架设计。

表1 陶瓷框架材料参数对比

表2 陶瓷框架材料性能对比

3 针对应用需求的电学框架加工工艺及加工材料选取

电学框架的首要目的是将探测器混成芯片的电学信号引出,保证其信号完整性和电源完整性；另外在很多杜瓦封装结构设计中,电学框架还要作为杜瓦与混成芯片直接接触的衬底,需要为芯片提供机械支撑,因此还需考虑框架与芯片之间的材料匹配,最终保证互联后低应力、低形变。

通常框架加工工艺可分为单层和多层,材料的选取可以根据上一节的介绍选取氧化铝、氮化铝、PCB电路板、Si等。框架工艺采用单层或多层,主要由杜瓦结构的电学引出管脚数量决定；而材料选取的标准,主要由混成芯片规模、杜瓦封装结构、对制冷和形变的要求等多方面因素决定。

3.1 单层框架

杜瓦封装结构外引线数量多于芯片电学引出所需数量时,电学框架设计无需合并管脚,此类情况电学框架设计均可采用单层框架结构。图3为SCD公司单层电学框架结构。

图3 SCD公司单层电学框架结构

目前在混成芯片规模小于20 mm×15 mm的杜瓦封装结构中,其电学框架大部分均采用单层Al2O3框架[1]。首先该规格的芯片电学引出管脚较少,杜瓦结构对外电学引出管脚无需电学框架合并即可满足引出要求,因此可采用单层框架结构；其次芯片规模小,采用Al2O3材料加工与混成芯片互联后应力可满足大多数常规应用下的应力要求,另外Al2O3陶瓷材料工艺成熟,加工周期快、成本低,因此在小规模的混成芯片杜瓦封装电学框架设计中,绝大部分均采用单层Al2O3框架设计。

在部分对于制冷和形变要求非常严格的应用中,因为AlN其热膨胀系数和导热率更好,其电学框架设计可考虑采用单层AlN框架。但AlN陶瓷需采用高温烧结,其加工成本会高于Al2O3框架。

在小规模芯片多片拼接应用中,如果芯片拼接后电学引出管脚无需合并,其数量少于封装结构的外引线数量,电学框架设计仍可采用单层框架结构。该种小规模芯片的拼接结构多采用电学框架作为混成芯片的拼接基板,正常Al2O3或AlN材料因为制作工艺的烧结尺寸受限,已无法作为拼接基板使用,且选用的材料需充分考虑多片混成芯片拼接后的低应力、低损伤以及导热问题可采用Si片或蓝宝石片等尺寸限制小的材料作为电学框架设计。

3.2 多层框架

当混成芯片电学引出管脚数量多于杜瓦封装结构外引线数量,就需要对混成芯片的引出信号进行合并引出。电学框架设计既要保证芯片电学引出需求,又要保证杜瓦封装电学引出结构的设计紧凑,此类情况电学框架设计均需采用多层框架结构。图4为雷神公司多层框架结构。

图4 雷神公司多层框架结构

多层共烧陶瓷因其良好的导热特性以及较低的热膨胀系数,在需要采用多层结构设计的电学框架中广泛应用,其制造工艺根据烧结温度可分为低温共烧陶瓷(LTCC)和高温共烧陶瓷(HTCC)两种。低温共烧的温度一般为800～980 ℃,其生瓷带材料为玻璃陶瓷混合体,导带浆料可以为Cu、Au、Ag等,电阻率低,电学性能好,且制备工艺成熟,是市场上广泛使用的多层陶瓷共烧工艺,但其缺点是热膨胀系数高、导热差[5]。高温共烧的温度一般为1650～1850 ℃,其生瓷带材料为氧化铝或氮化铝陶瓷,导带浆料因其烧结熔点高可选用W、Mo、Mn等,其性能与氧化铝、氮化铝相似,但是其缺点是电阻率高、电性能不如LTCC,且目前国内制备工艺难度大,氮化铝HTCC成品率较低。

氧化铝LTCC其热膨胀系数、导热和强度均存在不足,但是其电学性能优于HTCC,在电学框架仅用于电学引出的设计中可采用该种工艺,且其工艺成熟度好,加工周期短,因此在多层框架设计中得到广泛应用。

氮化铝HTCC其热膨胀系数、导热和强度与其他材料比均有优势,在电学框架即用作基板又用作电学引出时氮化铝HTCC是合适的选择,该种选择在实际应用中已得到广泛应用验证。但是其框架加工周期长,成品率低,且其电导率低不适用于高频组件,在杜瓦结构设计时需要多方面衡量进行选型。

在超大规模拼接封装结构中多层陶瓷框架其加工极限尺寸已无法满足封装结构电学框架需求,此种情况可考虑采用PCB多层电路板结构设计,既能满足拼接结构设计又可保证电学合并引出需求。

表3为以上各种框架加工工艺和材料的选取比较。

表3 电学框架工艺选型

4 电学框架布线设计

电学框架设计需要满足杜瓦结构设计要求,其中包括机械尺寸、热性能、机械强度以及电学性能等多个方面。根据这几个方面先对材料和工艺进行选型,选型确定才可确定其布线设计的电性能参数,包括导线电阻、绝缘电阻等。根据电性能参数和厂家提供的设计规则,才可开展布线设计。

布线设计要满足信号完整性和电源完整性原则,信号完整性即指信号无损完整的传输,电源完整性即指供电满足芯片需求。为了做到以上几点,在布线设计首先需要考虑走线导通电阻以及走线间绝缘电阻,可通过设计走线宽度、走线间间距来调整导通电阻和走线间绝缘电阻；其次需要考虑数模信号隔离,可通过采用数字、模拟信号分层或分区域设计实现隔离；同时还需考虑重要信号的屏蔽隔离,可用上下层布线采用地线层进行屏蔽隔离。多层布线示意图如图5所示。

图5 多层布线示意图

在布线设计时对分层进行选择,需考虑框架加工厚度对分层的限制；对键合区域进行设计,需结合具体键合工艺；布线的设计还需满足厂家的加工需求。只有把布线设计和杜瓦具体工艺结合考虑才能使电学框架设计达到设计要求。

5 总 结

本文阐述了杜瓦封装结构中电学框架的设计方法,从材料选择开始,再到工艺选择,最终到布线设计,介绍了电学框架设计的全过程。目前在小规模杜瓦结构电学框架设计,其工程应用中多采用单层氧化铝框架,加工周期短、工艺稳定成熟；在大规模杜瓦结构电学框架设计可采用多层氧化铝、多层氮化铝、PCB多层电路板等；以上各种选型的电学框架布线设计都要满足信号完整性和电源完整性,且需要符合杜瓦工艺及厂家加工工艺。综合考虑以上各方面才能设计出即满足电学引出需求又满足杜瓦结构要求的电学框架。