隨著工業(yè)化與科技化的發(fā)展，陸地資源早已開始無法滿足人類的需求，迫切的需要轉戰(zhàn)地下，地鐵是城市的標志，深藏于地下億萬年的資源，從上個世紀開始，廣泛被開采應用到生活中。這些活動所需要的機械設備，都應用了有機材料封裝技術制造電子模塊，該模塊的耐熱性要求非常高，其生產環(huán)境的工作溫度范圍提高到225℃，在此之前最高不過177℃。Vectron晶振公司是美國頻率控制元器件制造商，同時也是高溫電子模塊方案的設計供應商。
除了在工作溫度上限，熱循環(huán)，高頻沖擊和振動方面的性能改進，根據我們客戶的可靠性測試數(shù)據，密封的高溫混合模塊的生存能力可以在225ºC高溫儲存條件下超過7000小時的MTTF以及其他環(huán)境矩陣測試。此外，與高溫貼片晶振和Thru-hole技術相比，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為200ºC至225ºC應用生產數(shù)千個高溫電子模塊。本文介紹了使用這種技術進行井下應用的225ºC高溫電子模塊的封裝設計。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。
極端環(huán)境應用要求電子系統(tǒng)能夠在-55°C至+125°C的熟悉MIL-STD工作溫度范圍內存活。Deep WellLogging Tools（傳感器，儀表和數(shù)據采集等），地熱測井，輕型地面和飛行器以及工業(yè)過程監(jiān)控等應用需要可在200°C及更高溫度下運行的強大電子系統(tǒng)。
此外，這些應用中的一些還需要在高沖擊和振動環(huán)境下的生存能力。汽車，商用和軍用飛機的運輸和電子需求的燃料消耗需求等市場驅動因素不斷擴大。雖然目前高溫電子產品的市場規(guī)模很小，并且一直受到石油測井行業(yè)的支配，但如果汽車市場開放，它可能會發(fā)展很大。航空航天是另一個近期有希望的領域[。至少可以說，部署高溫電子設備的好處包括：1）通過大型散熱器或熱管設計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鍵位置。在本文中，我們將討論用于測井工具應用的高溫電子模塊的制造經驗。我們還將討論針對此特定應用的包裝設計方法。最后，將討論我們的客戶QuartzdyneInc.提供的混合模塊的一些可靠性數(shù)據。
高溫電子模塊：
在過去的四年中，美國進口晶振品牌Vectron International與另一家Dover公司Quartzdyne公司合作，利用Hybrid Microelectronics Technology開發(fā)新一代井下壓力表，用于225°C應用.Quartzdyne公司要求開發(fā)一種強大的電子模塊，可以在200°C下連續(xù)工作，并能夠將測試加速到225°C。此外，電子模塊必須承受高沖擊沖擊和振動，以模擬實際的井下鉆井環(huán)境。基于這樣的設計要求，我們的電子模塊經常在高溫存儲，溫度循環(huán)和大量重復的1米自由落體跌落測試中進行測試，以提供質量保證。由于其強大的性能，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“隨鉆測井”和“永久測井”應用。圖1顯示了自2000年以來生產的高溫電子模塊。

圖1：高溫電子模塊

除了每個生產批次的獨特的Quartzdyne Life/Cycle測試要求外，每個單獨的模塊還要滿足100％的篩選要求。篩選測試方案包括：1）從25°C到225°C的15個溫度循環(huán)，2）225°C老化存儲125小時和3）10個1米自由落體滴到鋼板上.Quartzdyne估計了對鋼板的影響基于在較低沖擊下測量的數(shù)據外推，1米自由落體下降約為1百萬克（1微秒）[2]。在過去的4年中，Vectron International已經生產了3000多種混合高溫模塊。
封裝設計方法為了應對這些挑戰(zhàn)，高溫電子模塊采用以下方法設計：
•用無機陶瓷基板材料替換高溫PCB
•使用多層厚膜制造技術來提高包裝密度
•選擇可結晶的介電成分，在內導體層之間提供可靠的絕緣
•密封定制金屬封裝，以機械方式保護電子電路，遠離腐蝕性，潮濕的環(huán)境
•使用Pd摻雜的Au厚膜組合物為Au和Al引線鍵合提供可靠的導體表面
•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材料作為本申請的基礎基底材料。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個金屬層和181個過孔，用于互連所有導體層。整個制造過程包括23個篩選序列。
填充且可結晶的介電組合物用于在導體層之間提供優(yōu)異的絕緣性能。Dielectric材料還提供與基礎襯底相匹配的出色CTE。通過適當?shù)墓に嚳刂坪椭圃旃に?，Dielectric材料可提供極其光滑的表面狀態(tài)，從而實現(xiàn)堅固的引線鍵合。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引線鍵合以及導體跡線陶瓷基板。有充分證據表明，半導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鍵合的可靠性并防止由于水分擴散到聚合物材料而導致的銀遷移和氧化。除了在具有全濕度和溫度控制的10K級潔凈室環(huán)境中組裝高溫電子模塊之外，所有模塊在干燥氮氣和手套箱內通過接縫密封工藝在干燥氮氣和真空環(huán)境中經歷穩(wěn)定烘烤過程。接縫密封后，所有模塊均按照MILSTD-883方法1014.9進行100％粗漏和細漏試驗。
為了確保在高沖擊和振動環(huán)境下的機械強度，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)境溫度和玻璃轉變溫度之間的任何給定溫度下緊密匹配，以防止在冷卻過程中過度的機械應力損壞[4]。適當?shù)慕饘偻嘶鸪绦蚝湾兘鸷穸纫?guī)格對于防止基底金屬擴散到電鍍表面和捕獲的H2釋放是至關重要的。
引線鍵合：
微膠合兩種不同的金屬會導致相互擴散和金屬間化合物的形成。選擇Pd摻雜的Au厚膜組合物來制造多層陶瓷基板，以實現(xiàn)可靠的Al和Au引線鍵合目的。Pd摻雜的Au導體產生相對穩(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的擴散并延長了鋁芯鍵的壽命[5]。我們的混合微電路由98個Au焊線組??成，用于I/O引腳到導體和芯片電阻-導體互連。另一方面，混合微電路中總共有75個Al鍵合線用于互連Si管芯到導體。
選線也是改善引線鍵合熱循環(huán)疲勞失效的關鍵因素。更重要的是，諸如燒制形態(tài)，導體厚度和鍵變形等工藝參數(shù)會對工藝結果產生重大影響。良好粘合的線材在完全生長狀態(tài)下表現(xiàn)出非常低的空隙濃度，導致在高溫下長時間后更牢固，可靠的粘合[6]。圖4和圖5顯示了在高溫儲存條件下Au和Al的線鍵合性能。

圖4：Pd摻雜Au上的Au焊線的300°C高溫存儲數(shù)據

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?？障兜男纬蓵苯咏档驮街目煽啃?，特別是在溫度循環(huán)和高沖擊和振動條件下。為了改善附著力和電氣性能，選擇共晶焊料來連接敏感的有源元件，如圖6所示。

圖5：Pd摻雜Au上Al焊線的300°C高溫存儲數(shù)據

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，溫度循環(huán)和高溫存儲環(huán)境下具有出色的耐久性。圖7列出了基于Y1軸上20Kg至30Kg恒定加速度測試的元件和基板附件可靠性數(shù)據。

圖7：20,000g至30,000g的恒定加速度測試數(shù)據

組件選擇：
高溫模塊的石英晶體振蕩器已根據客戶要求進行了升級篩選。器件降額設計實踐和適當?shù)臒峁芾碓O計實踐對于高溫下的整體電路性能至關重要。高溫應用需要緊湊，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，因為它具有出色的TCC和老化特性。關于電阻的選擇，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)據高溫電子模塊的可靠性數(shù)據如圖8所示。
可靠性研究的詳細版本將通過Quartzdyne公司的“225°C井下混合電子封裝電路壽命測試”論文進行討論[2]?；趫D8中的數(shù)據，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)測試下超過7000MTTF小時。由于混合模塊的成功，它已經取代了Quartzdyne[2]提供的原始Thru-Hole產品平臺。

圖8：MTTF與測試溫度的關系圖

美國維管晶振和Quartzdyne在過去4年中不斷改進的努力已經取得成果。我們已經識別，分析和改進了我們的工藝，以消除根本原因的失敗。改進領域包括晶體管附件，MLC芯片電容器附件，基板附件和引線鍵合。我們的共同目標是在實際或模擬現(xiàn)場操作環(huán)境下不斷進步以提高混合模塊的可靠性。結論我們已經成功地展示了有效的封裝設計和制造能力，可生產225°C井下應用的高溫電子模塊?；谖覀?年的學習曲線以及QuartzdyneInc.提供的壽命/周期測試和故障統(tǒng)計數(shù)據，我們不斷改進線材，元件和基板附著區(qū)域的裝配工藝.Quartzdyne壽命/周期測試數(shù)據確保了高溫混合模塊在225°C破壞性基質測試條件下的結果為7362MTTF小時[2]。
Vectron晶振自家生產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，可應用到高溫電子模塊和井下探測等領域，金洛鑫電子擁有正規(guī)的訂購渠道，可為廣大新老客戶提供Vectron晶振原裝正品。

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