一种基于顶部热沉的混合集成电源结构设计
时间：2023-01-19 19:00:26 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
杨正男，王勇，欧长江，胡梅，张雨萌
(1.中国电子科技集团公司第四十三研究所，安徽 合肥 230088；
2.中国电子科技集团公司第四十三研究所 微系统安徽省重点实验室，安徽 合肥 230088)
随着卫星装备的小型化，整机系统的轻量化需求日趋明显，对空间用抗辐射DC/DC 变换器的体积、重量和封装结构提出了更高的要求[1-3]，国内外现有的抗辐射DC/DC 变换器多为金属封装，体积和重量均已无法更好满足对供电电源的使用需求。为了解决上述问题，本文介绍了一种基于顶部热沉的混合集成电源结构，可将功率器件的热传导到顶部热沉，解决功率器件散热问题，同时可为抗辐射混合集成电源尤其是负载点电源提供一种微型化、轻量化的解决方案。
基于顶部热沉的混合集成电源整体结构图如图1所示，该结构整体采用陶瓷多层基板与金属全包围式顶部热沉结合的形式，基板背面引出端采用CLGA、CBGA或CCGA。基板采用ALN 多层共烧陶瓷，内部采用钨导体进行多层布线，实现基板正反面的互连；
功率芯片采用倒装焊工艺与基板互连，为保证芯片PAD 间距与基板的匹配，基板表层金属化采用薄膜工艺；
为保证产品通流，降低损耗，基板表面薄膜金属化后采用直接镀铜(Direct Planting Copper，DPC)工艺镀厚铜；
内部电阻、电容、电感采用高温回流焊接工艺；
顶部的热沉通过有机胶与陶瓷基板的边缘粘接；
热沉和芯片背面、电感顶部之间采用导热胶填充，以提高芯片和电感的散热效果。
1.1 DPC 基板设计制作
为保证一体化陶瓷体的强度，采用HTCC 多层共烧陶瓷[4-5]，内部采用钨导体进行多层布线，实现基板正反面的互连。ALN 陶瓷的热导率达170 W/m·K 以上，可以较好地满足功率器件的散热需求；
同时ALN 陶瓷的热膨胀系数为4.5～5.0 ppm，与芯片的热膨胀系数接近，使得ALN 基板与芯片之间产生的热应力小，为芯片的应用提供了很好的基础[6-8]。
为减小体积，提高组装密度，芯片采用倒装焊工艺，陶瓷基板表面导体如直接采用印制导体的方式制作，其印制导体的线宽、线间距等无法与芯片PAD 间距相匹配。为了解决上述问题，基板表层导体采用薄膜工艺制备，同时，为保证产品通流，降低损耗，提高效率，在氮化铝基板上，通过磁控溅射工艺进行基板表面金属化，先溅射种子层，沉积铜层，然后通过掩膜、光刻、选择性电镀铜等技术对导体进行电镀增厚，最后通过腐蚀、去胶等技术，形成导体厚度50 μm 以上DPC 基板[9]。DPC基板制作工艺示意图如图2 所示。
通过采用差异化镀金的方式在一体化基板不同焊区表面镀镍金，对于金凸点焊区表面采用厚镀层且厚度差值不超过4 μm，可确保芯片倒装焊无虚接；
对于其他无源器件的焊区表面采用薄镀层，防止焊接工艺产生金脆风险。
1.2 功率芯片倒装焊设计与制作
功率芯片倒装焊结构图如图3 所示，主要制作过程包括芯片PAD 金属化、金凸点制备、倒装、底部填充等[10]。
为了避免金凸点芯片PAD 键合界面产生金铝金属间化合物，产品在后续使用中存在产生科肯达尔空洞风险[11]，采用溅射工艺在芯片表面制作CuNiAg，用作金凸点与芯片PAD 之间的阻挡层。
金凸点制备的原理为超声热压技术，基于金属材料间的塑性变形，在超声、压力和温度的作用下加速金属原子间的相互扩散，从而形成可靠的互联界面。金凸点制备过程具体为：通过电火花放电将线径为25 μm 的金丝烧制成球状，通过调整电火花放电电流、放电时间等参数控制金球尺寸，金球直径通常为线径的2～3 倍。通过劈刀施加超声和压力，与金属焊盘形成可靠的结合，随后劈刀抬起一段距离，在水平方向快速来回扯动，使金丝在金球颈部预先形成微裂痕，保证随后线夹断丝时，在金球颈部断裂，通过该侧向裁剪技术有效控制金丝的断裂位置，增加不同金凸点之间的高度一致性。
金凸点与一体化基板焊接过程具体为：将一体化基板放到工作台加热，然后将芯片倒置，凸点向下反扣在基板焊盘上，通过超声、键合力和温度的共同作用，将芯片凸点键合到基板焊盘，使凸点金属与焊盘金属间发生互溶扩散，从而使原子间产生吸引力形成互连。
倒装芯片组装后的底部填充方法基于毛细流作用，使填充胶水迅速流入倒装芯片底部，其毛细流动最小空间为10 μm，下填料沿着组装后芯片的单边或相邻的两边涂布，形成底部填充料池，可提供在器件的支撑间隙中的毛细流，表面张力的作用拉动芯片下的下填料。底部填充工艺不仅能够增加芯片与一体化基板的粘结强度，补偿芯片、金凸点以及一体化基板之间热膨胀系数的差异，还可以避免芯片在温度循环、机械冲击等应力作用下，出现金凸点与一体化基板结合力下降的问题，同时还能够起到塑封的作用，避免了芯片长期暴露在有害气氛环境中，导致键合点出现腐蚀，导致金凸点的连接失效。
1.3 一体化顶部热沉设计
一体化顶部热沉结构图如图4 所示，可采用高导热率的AlSiC 材料，它主要包括互联面、功率芯片腔、功率电感腔、器件腔。一体化热沉的互联面通过粘接胶与DPC 基板相贴合固定，功率电感与功率电感腔顶面、功率芯片与功率芯片腔顶面之间通过高导热胶接触相连，使功率电感以及功率芯片在正常工作的过程中所产生的热量能够通过顶部的热沉及时导出，进一步延长电源模块的使用寿命。
采用基于顶部热沉的混合集成电源结构研制的抗辐射POL 电源体积可减小为17 mm×17 mm×7.8 mm，重量仅为7.5 g，功率密度高达320 W/in3。该电源具有输出电流大、功率密度高、重量轻、抗辐射等特点，与同类型产品相比，功率密度提升了52%，体积减小37%，重量降低53%。
本文介绍了一种基于顶部热沉的混合集成电源结构，该电源结构由一体化基板、无源器件、功率器件及散热结构件构成，其中无源器件采用高温焊料焊接到陶瓷一体化基板上，功率芯片植球后倒扣焊到一体化基板上，功率器件通过导热胶与散热结构件粘接，散热结构件采用粘接胶粘接到一体化基板上。采用陶瓷一体化工艺结构，可实现混合集成电源的微型化、轻量化；
采用倒扣焊后的功率器件通过导热胶将热量传递到顶部的散热结构，便于用户安装结构件进行散热。
该结构在抗辐射POL 电源中应用，验证了该方案的可行性，与同类型产品相比，功率密度提升了52%，体积减小37%，重量降低53%。
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