随着工业化与科技化的发展，陆地资源早已开始无法满足人类的需求，迫切的需要转战地下，地铁是城市的标志，深藏于地下亿万年的资源，从上个世纪开始，广泛被开采应用到生活中。这些活动所需要的机械设备，都应用了有机材料封装技术制造电子模块，该模块的耐热性要求非常高，其生产环境的工作温度范围提高到225℃，在此之前最高不过177℃。Vectron晶振公司是美国频率控制元器件制造商，同时也是高温电子模块方案的设计供应商。
除了在工作温度上限，热循环，高频冲击和振动方面的性能改进，根据我们客户的可靠性测试数据，密封的高温混合模块的生存能力可以在225ºC高温储存条件下超过7000小时的MTTF以及其他环境矩阵测试。此外，与高温贴片晶振和Thru-hole技术相比，Hybrid Microcircuit可提高封装密度并节省宝贵的空间。Vectron International已成功利用混合技术为200ºC至225ºC应用生产数千个高温电子模块。本文介绍了使用这种技术进行井下应用的225ºC高温电子模块的封装设计。本文还将介绍该高温混合模块的材料选择，制造工艺和一些可靠性数据。
极端环境应用要求电子系统能够在-55°C至+125°C的熟悉MIL-STD工作温度范围内存活。Deep WellLogging Tools（传感器，仪表和数据采集等），地热测井，轻型地面和飞行器以及工业过程监控等应用需要可在200°C及更高温度下运行的强大电子系统。
此外，这些应用中的一些还需要在高冲击和振动环境下的生存能力。汽车，商用和军用飞机的运输和电子需求的燃料消耗需求等市场驱动因素不断扩大。虽然目前高温电子产品的市场规模很小，并且一直受到石油测井行业的支配，但如果汽车市场开放，它可能会发展很大。航空航天是另一个近期有希望的领域[。至少可以说，部署高温电子设备的好处包括：1）通过大型散热器或热管设计消除辅助冷却的需求;2）更轻的重量和更小的尺寸和3）将传感器和其他传感器直接集成在感兴趣的关键位置。在本文中，我们将讨论用于测井工具应用的高温电子模块的制造经验。我们还将讨论针对此特定应用的包装设计方法。最后，将讨论我们的客户QuartzdyneInc.提供的混合模块的一些可靠性数据。
高温电子模块：
在过去的四年中，美国进口晶振品牌Vectron International与另一家Dover公司Quartzdyne公司合作，利用Hybrid Microelectronics Technology开发新一代井下压力表，用于225°C应用.Quartzdyne公司要求开发一种强大的电子模块，可以在200°C下连续工作，并能够将测试加速到225°C。此外，电子模块必须承受高冲击冲击和振动，以模拟实际的井下钻井环境。基于这样的设计要求，我们的电子模块经常在高温存储，温度循环和大量重复的1米自由落体跌落测试中进行测试，以提供质量保证。由于其强大的性能，混合微电路模块已集成到石英压力表中，这些压力表已部署在油田中用于“随钻测井”和“永久测井”应用。图1显示了自2000年以来生产的高温电子模块。

图1：高温电子模块

除了每个生产批次的独特的Quartzdyne Life/Cycle测试要求外，每个单独的模块还要满足100％的筛选要求。筛选测试方案包括：1）从25°C到225°C的15个温度循环，2）225°C老化存储125小时和3）10个1米自由落体滴到钢板上.Quartzdyne估计了对钢板的影响基于在较低冲击下测量的数据外推，1米自由落体下降约为1百万克（1微秒）[2]。在过去的4年中，Vectron International已经生产了3000多种混合高温模块。
封装设计方法为了应对这些挑战，高温电子模块采用以下方法设计：
•用无机陶瓷基板材料替换高温PCB
•使用多层厚膜制造技术来提高包装密度
•选择可结晶的介电成分，在内导体层之间提供可靠的绝缘
•密封定制金属封装，以机械方式保护电子电路，远离腐蚀性，潮湿的环境
•使用Pd掺杂的Au厚膜组合物为Au和Al引线键合提供可靠的导体表面
•使用高Tg热塑性粘合剂材料，提供可靠的基材-金属包装附件
•精心上传和选择组件
多层厚膜基板：
选择96％Al2O3材料作为本申请的基础基底材料。Al2O3衬底与MLC芯片电容器和基于氧化铝的薄膜和厚膜电阻器提供更好的CTE匹配。模块的基板总共有5个金属层和181个过孔，用于互连所有导体层。整个制造过程包括23个筛选序列。
填充且可结晶的介电组合物用于在导体层之间提供优异的绝缘性能。Dielectric材料还提供与基础衬底相匹配的出色CTE。通过适当的工艺控制和制造工艺，Dielectric材料可提供极其光滑的表面状态，从而实现坚固的引线键合。多层厚膜基板的整体尺寸为45.72mm（1.800“）Lx9.65mm（0.380”）Wx0.635mm（0.025“）T。

图2：Quartzdyne压力计工具的横截面视图

最后，多层厚膜基板提高了整体封装密度，并有助于将石英压力表的尺寸从1英寸外径减小到0.75英寸外径，如图2所示。
采用金属封装的密封密封：
气密密封可防止机械损坏和大气污染物的侵入。我们的高温模块包括：1）有源晶振-IC和晶体管芯片，2）无源元件-薄膜NiCr电阻器，厚膜片式电阻器和MLC芯片电容器，3）互连-Au和Al引线键合以及导体迹线陶瓷基板。有充分证据表明，半导体芯片非常容易受到污染物（如水分，空气传播颗粒和离子污染物）和各种气体（如氨，二氧化硫，二氧化碳和氢气）的影响[3??]。
此外，减少或消除水分，离子污染物和卤素气体污染物可以改善引线键合的可靠性并防止由于水分扩散到聚合物材料而导致的银迁移和氧化。除了在具有全湿度和温度控制的10K级洁净室环境中组装高温电子模块之外，所有模块在干燥氮气和手套箱内通过接缝密封工艺在干燥氮气和真空环境中经历稳定烘烤过程。接缝密封后，所有模块均按照MILSTD-883方法1014.9进行100％粗漏和细漏试验。
为了确保在高冲击和振动环境下的机械强度，定制金属封装采用ASTMF-15合金制造，并在大纵横比扁平外壳下方添加加固安装杆，如图3所示。

图3：定制金属Flatpack

I/O引脚采用玻璃-金属匹配密封方法，采用7052硼硅酸盐类玻璃材料。匹配密封中使用的所有材料的CTE必须在环境温度和玻璃转变温度之间的任何给定温度下紧密匹配，以防止在冷却过程中过度的机械应力损坏[4]。适当的金属退火程序和镀金厚度规格对于防止基底金属扩散到电镀表面和捕获的H2释放是至关重要的。
引线键合：
微胶合两种不同的金属会导致相互扩散和金属间化合物的形成。选择Pd掺杂的Au厚膜组合物来制造多层陶瓷基板，以实现可靠的Al和Au引线键合目的。Pd掺杂的Au导体产生相对稳定的Au-Al-Pd三元化合物或界面处的Pd浓度，这减缓了Au和Al的扩散并延长了铝芯键的寿命[5]。我们的混合微电路由98个Au焊线组??成，用于I/O引脚到导体和芯片电阻-导体互连。另一方面，混合微电路中总共有75个Al键合线用于互连Si管芯到导体。
选线也是改善引线键合热循环疲劳失效的关键因素。更重要的是，诸如烧制形态，导体厚度和键变形等工艺参数会对工艺结果产生重大影响。良好粘合的线材在完全生长状态下表现出非常低的空隙浓度，导致在高温下长时间后更牢固，可靠的粘合[6]。图4和图5显示了在高温储存条件下Au和Al的线键合性能。

图4：Pd掺杂Au上的Au焊线的300°C高温存储数据

组件和基板附件：
除了共晶焊接和粘合材料选择外，附着材料的粘合线厚度和优化的固化或钎焊温度分布是控制空隙形成，氧化和除气污染的重要因素。空隙的形成会直接降低元件附着的可靠性，特别是在温度循环和高冲击和振动条件下。为了改善附着力和电气性能，选择共晶焊料来连接敏感的有源元件，如图6所示。

图5：Pd掺杂Au上Al焊线的300°C高温存储数据

图6：有源器件的共晶焊料附着

选择高Tg聚酰亚胺粘合剂材料用于连接Si管芯和其他无源元件。另一种高Tg热塑性粘合剂材料用于将混合微电路连接到金属外壳。我们的晶振元件和基板连接工艺在高冲击和振动，温度循环和高温存储环境下具有出色的耐久性。图7列出了基于Y1轴上20Kg至30Kg恒定加速度测试的元件和基板附件可靠性数据。

图7：20,000g至30,000g的恒定加速度测试数据

组件选择：
高温模块的石英晶体振荡器已根据客户要求进行了升级筛选。器件降额设计实践和适当的热管理设计实践对于高温下的整体电路性能至关重要。高温应用需要紧凑，热稳定和高能量密度的电容器。NPO（K66）MLC芯片电容器用于我们的混合微电路，因为它具有出色的TCC和老化特性。关于电阻的选择，我们的微电路中使用了薄膜NiCr和厚膜RuO2芯片电阻。可靠性数据高温电子模块的可靠性数据如图8所示。
可靠性研究的详细版本将通过Quartzdyne公司的“225°C井下混合电子封装电路寿命测试”论文进行讨论[2]。基于图8中的数据，我们的高温混合模块已证明具有生存能力。在225°C的破坏性寿命/循环测试下超过7000MTTF小时。由于混合模块的成功，它已经取代了Quartzdyne[2]提供的原始Thru-Hole产品平台。

图8：MTTF与测试温度的关系图

美国维管晶振和Quartzdyne在过去4年中不断改进的努力已经取得成果。我们已经识别，分析和改进了我们的工艺，以消除根本原因的失败。改进领域包括晶体管附件，MLC芯片电容器附件，基板附件和引线键合。我们的共同目标是在实际或模拟现场操作环境下不断进步以提高混合模块的可靠性。结论我们已经成功地展示了有效的封装设计和制造能力，可生产225°C井下应用的高温电子模块。基于我们4年的学习曲线以及QuartzdyneInc.提供的寿命/周期测试和故障统计数据，我们不断改进线材，元件和基板附着区域的装配工艺.Quartzdyne寿命/周期测试数据确保了高温混合模块在225°C破坏性基质测试条件下的结果为7362MTTF小时[2]。
Vectron晶振自家生产的石英晶振和有源晶振性能优良，耐高温可在极端的环境下工作，可应用到高温电子模块和井下探测等领域，金洛鑫电子拥有正规的订购渠道，可为广大新老客户提供Vectron晶振原装正品。

正在载入评论数据...

上一篇：小体积AT切谐振器的制造工艺

下一篇：给VCXO选择石英晶体的用处

此文关键字： Vectron Crystal 高温电子模块晶振耐高温晶振

姓名：
邮箱：
正文：

贴片晶振

金洛博客

Vectron晶振公司225ºC高温电子模块设计制造技术

相关资讯