1 引 言

二代探测器及快速发展的三代探测器一个显著特征是阵列规模的提升,同时又对封装杜瓦提出了轻量化、模块化、低热耗、长寿命、高可靠等要求[1]。与芯片自身可靠性相比,真空杜瓦的可靠性可能是整个探测器组件高可靠的制约因素,系统、深入的研究探测器封装技术是极为必要的,而封装材料是其中的重点。

三是创新培训机制。要制定美术人才培养长远规划和年度培训计划，建立常态化的培训制度。要高度重视专业培训在人才培养中的基础性作用，拓展培训空间，创新培训手段，形成抓重点、分层次、多渠道、有特色的美术人才培训工作体系。要树立大教育、大培训观念，将高等艺术教育与在职培训紧密结合，通过与高等院校联合办学、定向培养、在职进修培训以及选派到高层次画院研习访学等方式，进一步提高青年画家专业水平。要坚持“请进来”和“走出去”相结合，充分发挥艺术名家“传帮带”作用，高质量办好各种美术人才培训班和高级研修班。

杜瓦与混联芯片直接接触的部分是陶瓷衬底,衬底为上层的电子元器件提供机械支撑、电气互联、和热传递等作用,杜瓦对外的机械、电气接口以及对制冷机的功率要求都和衬底密切相关,因此衬底是杜瓦封装的关键部件,性能要求极高。需要满足：(1)机械强度高,环境适应性强,能够经受一定的机械负载和温度冲击；(2)电阻率高,绝缘性好,能够在高频环境下满足极高的电绝缘要求；(3)介电常数小,高频延时对信号影响小；(4)热膨胀系数与芯片衬底材料相近；(5)导热系数高；(6)化学性能稳定[2-3]。

红外探测器封装与传统的IC封装相比,尤其是制冷型红外探测器封装对高低温适配性、导热率、结构强度、材料的低放气率要求更为严格,随着电路处理能力提升及数字化电路的发展在高频抗干扰、低介电常数、大功率散热方面也会有更高的要求[4]。

1.公司层面与业务层面的不同点。公司层面与业务层面的不同点主要体现在三方面。一是控制的执行主体侧重点不同。公司层面控制执行主体侧重于决策层和管理层，业务层面控制执行主体侧重于管理层和操作层。如发展战略、人力资源政策主要是由董事会制定，物资采购主要由供应部门来实施；二是控制的角度不同。公司层面侧重于宏观要求，业务层面侧重于微观执行。如风险评估要求企业要全面分析、评价可能存在的风险，资金管理重点是如何控制财务风险；三是控制结果的影响不同。公司层面失去控制有可能导致企业全局性的失败，业务层面失去控制往往造成局部的损失。

经过多年的发展,陶瓷材料封装较金属封装和有机材料封装展现出了很好的应用优势。但不同陶瓷材料之间的性能、成本以及目前的国内工艺水平各不相同,尤其是AlN、SiC、多层陶瓷共烧等先进材料及加工技术多年来日本、欧洲要领先国内很多,随着国内技术日益成熟,差距在逐步减小。本文就不同陶瓷材料在不同阵列规模的探测器封装中的应用进行了探究。

2 杜瓦陶瓷衬底材料

2.1 红外探测器中陶瓷衬底应用简介

在红外探测器及其他军事电子领域,陶瓷封装高可靠、耐高频、耐高低温、气密性强,是主要的封装形式,最常使用的有Al2O3、AlN、SiC等。红外探测器中使用陶瓷衬底一般是结合半导体工艺进行使用,在表面作出导带引线,通过与芯片键合实现信号传输。图1是法国Sofradir公司 MW 640×512(15 μm)探测器芯片,使用单片的氧化铝陶瓷衬底。图2是美国RockWell公司拼接4K×4 K器件,单模块使用HTCC陶瓷衬底互联。图3是以色列SCD公司2048×16拼接器件,使用4片520×16 InSb器件模块通过铟柱倒装焊的方式拼接在一大块多层布线AlN陶瓷衬底上面。

仿真使用芯片大小为15 mm×10 mm,衬底材料分别为Al2O3(图6)、AlN(图7)、SiC(图8),冷台材料设计为铟伐,进行三组仿真对比分析。

  

图1 Sofradir MW 640×512(15 μm)探测器及芯片Fig.1 Sofradir MW 640×512(15 μm)IR detector

  

图2 RockWell公司拼接4K×4K器件模块Fig.2 RockWell 4K×4K splicemodule and chip

  

图3 SCD公司拼接2048×16拼接器件Fig.3 SCD 2048×16 splice device

2.2 氧化铝(Al2O3)

但是AlN其烧结温度需要控制在1600～1800 ℃之间,烧结环境严苛,完成产品性能受其材料纯度和烧结密度的影响极大,工艺难度大、成本高。国内目前的工艺产能较低,只有少数的生产线,且烧结产品的精度不高,价格昂贵,加工周期不可控[6]。

通过使用不同陶瓷材料,探究材料对应力水平降低的作用,本文仿真对比了Al2O3、AlN、SiC的应力水平,当温度从室温(20 ℃)降至探测器工作温度(77 K)过程中,由于材料热失配产生的热应力会对探测器混成芯片产生破坏。仿真环境模拟芯片在测试杜瓦中的封装环境,冷头部分包含了冷台、框架和混成芯片,如图5所示。

二代探测器的阵列规模基本都在百万像素以下,Al2O3陶瓷衬底性能基本满足绝大多数的探测器需求,国内工艺线技术成熟、产能较大。但就材料性能而言,Al2O3材料热膨胀系数7.2×10-6/℃和介电常数9.7较硅略高,而导热系数33 W/(m·K)又不够高,在超大规模、高频、大功率芯片封装中会体现出劣势。

2.3 氮化铝(AlN)

AlN陶瓷是20世纪90年代开始深入研究的新型材料,相较于Al2O3其导热率、热膨胀系数、介电常数、结构强度、化学性能各方面都有很大的提升,尤其是其理想的导热率可以达到260～300 W/(m·K),热膨胀系数与Si和GaAs也更为适配,是极为理想的半导体封装基板材料,尤其是在高频IC、微波器件、高低温电子封装领域优势明显。

Al2O3陶瓷以σ-Al2O3为主要晶相成分,原料来源丰富,性能良好,而且发展早、应用广,占到整体陶瓷封装基片总量的90%左右[5],根据含量及添加材料的不同会呈现出不同的颜色和性能,其中含量96%的氧化铝材料广泛用于基片材料。

文章结合红外探测器杜瓦封装的实际工艺应用,对不同阵列规模的芯片使用不同的陶瓷衬底进行封装,如表3所示。通过仿真分析对比其电路和焦面的热应力值,结合经验数值判断选取最优封装方案。

2.4 碳化硅(SiC)

在对热变形要求极为严苛的封装环境中,SiC的热膨胀系数和Si极为相近,可以有效减小热失配带来的应力损害,而且SiC机械强度高,硬度仅次于金刚石和立方BN,导热系数大,室温下甚至可以达到100～490 W/(m·K)。

引导基金是由政府设立并按照市场化方式运作的政策性基金，不以营利为目的，通过财政性资金投入，引导社会资本支持科技型企业发展，促进科技成果转化和产业化，全面提升科技型中小企业的创新能力。引导基金的资金来源包括市级财政专项资金，引导基金资金存放银行或者购买国债所得收益，引导基金投资退出返回的本金及收益，个人、企业或者社会机构无偿捐赠的资金等。

还有其他一些陶瓷材料比如BeO,BN等,某一方面性能较突出,在局部领域会有应用,但因为有毒性或者加工成本极高限制其推广使用。

 

表1 陶瓷材料参数对比Tab.1 Parameters comparison of the ceramics

  

参数材料 Al2O3(96%)AlNSiCSi热膨胀系数/(×10-6/℃)7.24.22.82.4热导率/(W·m-1·K-1)33260270160相对介电常数/(1 MHz)9.38.94011.9介电损耗/(1 Hz,×10-4)37500/电阻率/(Ω·m)>1014>1014>10142.52×10-4(常温)抗弯强度/MPa260～400275～500440/密度/(g·cm-3)3.753.253.22.33

 

表2 Al2O3、AlN、SiC特性对比Tab.2 Properties comparison of Al2O3、AlN and SiC

  

特性材料热性能电性能加工难度成本生产周期Al2O3(96%)良优易中中AlN优优中高长SiC优中难高长

从表1和表2中可以看出,AlN各方面参数均要优于Al2O3,但是在成本、产能和加工周期上具有劣势,SiC热学性能突出,但是介电常数高,硬度高。针对于探测器封装时衬底材料的选择,像元面积小、功率低的芯片可以选用低成本、高效率的Al2O3,大阵列、高功率的可以选用AlN,低频时还可选用SiC。

SiC在结构和热学方面的性能优良,但同时带来了难以烧结、加工难度大等问题。而且SiC的介电常数太高,在高频芯片封装中带来的信号延迟不可忽略。目前国内SiC工艺线极少,在技术上与国外还有一定的差距[7]。表1、表2为一些陶瓷材料的特性对比。

  

图4 Al2O3、AlN、SiC特性对比Fig.4 Properties comparison of Al2O3、AlN and SiC

3 大阵列、高密度下的多层陶瓷衬底

大阵列规模芯片要求陶瓷衬底良好的导热特性和较低的热膨胀系数,还会有较多的电学引脚,因此电学引线的长度和密度会变得极大。而杜瓦有要求内部体积足够小,多层共烧陶瓷衬底在减小引线长度,缩小衬底体积方面效果显著。多层共烧陶瓷是由切割完成的单片陶瓷经过叠层、热压、排胶、烧结等工艺完成的,各层之间可单独布线,增加了布线密度和信号传输速度,减小了衬底和整体杜瓦组件的体积,适应探测器小型化、大面阵、大功率的发展需求[8]。多层共烧陶瓷根据烧结温度分为高温共烧陶瓷(HTCC,High temperature co-fired ceramic)和低温共烧陶瓷(LTCC,Low temperature co-fired ceramic)。

3.1 高温共烧陶瓷(HTCC)

高温共烧的温度在1650～1850 ℃之间,烧结的单片陶瓷材料一般为Al2O3和AlN等高温烧结材料,由于烧结温度高不能使用金、银、铜等低熔点的金属材料,所以HTCC使用的是钨、钼、锰等高熔点材料。HTCC继承了Al2O3和AlN的优势,会做为大阵列规模芯片的衬底使用,但由于高熔点导带材料的使用使得电导率降低,会造成信号的RC延时,在高频组件中将不可忽略[9]。

3.2 低温共烧陶瓷(LTCC)

低温共烧的温度在800～980 ℃之间,使用的生瓷带材料体系为玻璃-陶瓷混合体系,导带浆料可以是Cu、Ag、Au等低熔点、低电阻率的材料。LTCC的烧结工艺控制更加容易,成品的介电常数低,尤其是高频性能优良。

但LTCC明显的不足之处就是材料的导热系数较低(2～6 W/(m·K))而热膨胀系数较高,这两项性能都远差于Al2O3和AlN基片,影响了LTCC广泛应用[10],常作为电学过渡板使用。

4 杜瓦陶瓷衬底材料选取与探测器尺寸关系

日日顺智能产业的发展需要整合内外部资源。内部资源方面包括日日顺本身的网络资源以及日日顺的运营资源等。外部资源包括智能设备资源、创客训练营等资源平台，内部跟外部资源整合，这是我们的核心。

 

表3 仿真选取芯片及框架的尺寸序列 单位：mmTab.3 Size series of the selected chips and substrates in simulation Unit:mm

  

序号芯片大小对角线尺寸框架直径框架放大系数对应芯片类型115×1018.0321.61.2MW320×256(25 μm)220×1525301.2MW640×512(25 μm)325×2032.0238.01.2MW1280×1024(15 μm)430×2539.0546.81.2LW1280×1024(25 μm)

4.1 不同衬底材料下芯片热应力水平研究

乡村旅游与精准扶贫融合发展模式，是不断探索、发展、创新、完善的迭代过程。很多贫困乡村地区由于信息交流不畅、地域相隔较远等原因，至今没有形成产业融合发展意识，主要体现在：乡村政府宣传不到位，引导力有限，内部分工也不明确，乡村旅游电子商务发展思路不清晰等。与此同时，乡村旅游与精准扶贫融合发展过程中还存在诸多问题，如资本限制、资金限制、权利限制、信息限制、人口素质限制、发展限制、基础设施限制等问题。这些都是由于乡村地区缺乏联动性造成的。

  

图5 测试杜瓦结构Fig.5 Structure of the test Dewar

本测区先采用了两种方法进行测试，分别使用12个和16个平高控制点作为基本定向进行区域网平差，在检查空三加密成果的时候发现高程精度均不满足规范要求。最后测试选取20个平高控制点作为基本定向点，平面精度和高程精度基本满足规范要求。

本次调查走访了多位亲历者，每个被调查人都找来了多位亲历者共同回忆，同时亲临现场指认洪痕，相关叙述得到了水文资料证实，叙述可信程度较高。

王树林出了电梯，手机已然开启。并没有再次出现短信。他快步地朝小区大门而去，雨未停，空气清凉。一路上思磨着那两个问号的意义，犹豫着是否要回拨一个电话。他和伍亦苒有过设定，他们的交往过程追寻的就是快乐。花堪折时直须折，莫待花落空折枝。任何一方没有任何消息的时候一定有诸多不便，换句话说，另一方无须抱怨和勉强，他们都以不破坏现实状态为最高出发点。

  

图6 Al2O3衬底热应力值Fig.6 The thermal stress value of Al2O3 substrate

  

图7 AlN衬底热应力值Fig.7 The thermal stress value of AlN substrate

  

图8 SiC衬底热应力值Fig.8 The thermal stress value of SiC substrate

通过图9可以看出使用AlN和SiC的衬底对于降低混成芯片的应力值效果非常显著,而且AlN和SiC的热传递系数较高,数倍于Al2O3,极有利于降低混成芯片的到温时间和提升芯片整体温度均一性。同时SiC的机械强度要优于AlN,AlN的较优于Al2O3,所以焦平面法向的离面形变也得到了很好的控制。

  

图9 不同衬底热应力值对比Fig.9 The thermal stress values comparison of different substrate materials

4.2 不同阵列规模芯片热应力水平研究

对表3中给出的芯片阵列规模系列值,当从室温降温至工作温度时,通过对比在同一测试杜瓦中,同种衬底材料下不同阵列规模的芯片的热应力水平,仿真结果如图10～13所示。

  

图10 15×10阵列热应力值Fig.10 The thermal stress value of 15×10 array

  

图11 20×15阵列热应力值Fig.11 The thermal stress value of 20×15 array

  

图12 25×20阵列热应力值Fig.12 The thermal stress value of 25×20 array

  

图13 30×25阵列热应力值Fig.13 The thermal stress value of 30×25 array

通过图14可以看出阵列规模的提升与热应力值呈正相关,且增大的趋势越来越明显。根据经验值15×10规模的芯片可以直接使用单层Al2O3衬底进行封装,20×15和25×20阵列的需要使用多层Al2O3衬底进行封装,而30×25阵列使用Al2O3框架就会出现裂片现象了,应使用AlN、SiC材料,甚至是多层衬底搭配使用。

  

图14 不同阵列规模芯片热应力值Fig.14 The thermal stress values of chipswithdifferentarrayscales

4.3 不同阵列规模芯片对不同衬底材料热应力水平研究

根据芯片阵列规模和衬底材料的不同,进行交叉仿真分析,结果如表4所示。

 

表4 不同阵列规模、衬底材料芯片热应力值 单位:MPaTab.4 The thermal stress values of chipswith differentarray scales and substrate materials Unit:MPa

  

材料阵列/mm215×1020×1525×2030×25Al2O3183.68186.28191.23216.78AlN83.53185.82689.482106.11SiC29.57729.85631.51838.808

由上表可知使用AlN和SiC衬底对于降低混成芯片应力值效果显著,尤其是对于20 mm×15 mm规模以上的芯片,工程实际中使用单层的Al2O3会出现裂片,但使用单层的AlN即可将热应力值降低到极低的安全范围。35 mm×30 mm规模以上的芯片虽未在图表中进行对比分析,但若只使用单层的AlN,会有裂纹产生,随着多次降温冲击裂纹逐渐生长,有损坏的风险,因此需要搭配多层AlN结构或者SiC衬底使用。

受到材料加工难度和国内工艺的限制,AlN目前的产能有限,工艺周期和成本大约均为Al2O3的2到3倍。SiC目前的国内工艺线较少,除了产能和加工周期限制以外,在其上做半导体及互联工艺还有一些技术难点和试验没有充分验证,图15为不同芯片规模下衬底材料选用要素对比。

  

图15 不同芯片规模下衬底材料选用要素对比Fig.15 Comparison of selection of substrate materials under different chip sizes

5 结 论

随着芯片阵列规模的提升,混成芯片热应力值会相应增大,对衬底材料要求越高。考虑到封装成本和加工工艺难度,工程中使用Al2O3工艺成熟,效率高,成本低,应用范围广。但随着芯片阵列规模提升使用AlN和SiC衬底可有效降低混成芯片热应力值。

但以目前的国内工艺水平,AlN加工周期较长,SiC的工艺水平和周期都有制约,对于常规阵列的在低成本、高效率封装趋势下,使用Al2O3依旧是最佳方案。

对于20 mm×15 mm规模以下的芯片,工程实际中可使用单层的Al2O3；对于20 mm×15 mm规模以上的芯片可使用多层Al2O3或单层的AlN；35 mm×30 mm规模以上的芯片需要搭配多层AlN结构或者SiC衬底使用。

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