劉 丹

（四川工業(yè)科技學(xué)院，四川 德陽(yáng) 618000）

多芯組瓷介電容具有較大的單位安裝面積容量，所表現(xiàn)出來(lái)的抗機(jī)械應(yīng)力非常強(qiáng)，等效串聯(lián)電阻不高，憑借上述優(yōu)勢(shì)在混合微電路中得到廣泛應(yīng)用。多芯組瓷介電容的前身是片式瓷介電容器，經(jīng)過(guò)改造與創(chuàng)新研發(fā)出來(lái)的新電容器，多芯組瓷介電容應(yīng)用到精密堆疊技術(shù)、金屬引線(xiàn)封裝技術(shù)等，同時(shí)具有片式瓷介電容器和多芯組瓷介電容所有的特性，。除此之外，瓷介電容的容量損耗在溫度頻率影響下具有很高的穩(wěn)定性，比較特殊的串聯(lián)結(jié)構(gòu)更是適合在高電壓極長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中應(yīng)用，高電流爬升速率的情況下，在大電流回路無(wú)感型結(jié)構(gòu)中具有較高的適用性。

1 多芯組瓷介電容器

1.1 多芯組瓷介電容結(jié)構(gòu)與原理

所謂瓷介電容，使用高介電常數(shù)電容器陶瓷，將其擠壓之后形成圓管、圓片、圓盤(pán)等介質(zhì)，利用燒滲法在陶瓷上以銀鍍?yōu)殡姌O制作而成，主要有高頻瓷介、低頻瓷介兩種類(lèi)型（瓷介電容器參數(shù)見(jiàn)表1、表2、表3）[1]。作為電容器，正電容溫度系數(shù)較小，在高穩(wěn)定振蕩回路當(dāng)中使用，也被當(dāng)作回路電容器、墊整電容器加以應(yīng)用（電容器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1）。多芯組瓷介電容是以片式瓷介電容器為基礎(chǔ)，此類(lèi)片式瓷介電容器在電子無(wú)源元件領(lǐng)域具有應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)，然而體積比較小，所以無(wú)法達(dá)到大容量的效果。經(jīng)過(guò)創(chuàng)新與改造之后，多芯組瓷介電容器將片式瓷介電容器容量方面的問(wèn)題解決，利用精密堆疊（原理見(jiàn)圖2）和封裝技術(shù)（見(jiàn)圖3），達(dá)到大容量效果，也使可靠性得到顯著提升[2]。

表1 電容量溫度系數(shù)（10-6/℃）

表2 電容量溫度特性

表3 電容量允許偏差

圖1 電容器結(jié)構(gòu)

圖2 精密堆疊技術(shù)原理

圖3 封裝技術(shù)原理

混合微電路中的多芯組瓷介電容為了保證其應(yīng)用效果，一般需要予以加固，處于電容器制造領(lǐng)域，實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)往往采用多芯組徑向引線(xiàn)這一工藝，如此一來(lái)多層瓷介電容器的性能與功能得到完善，多芯組徑向引線(xiàn)多層瓷介電容器生產(chǎn)與制造環(huán)節(jié)，電容器可能存在的外形尺寸超差這一現(xiàn)象便可得到解決[3]。夾具經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后疊片處理之后的多芯組徑向引線(xiàn)多層瓷介電容器，不僅可以保證外形尺寸的規(guī)范性與整齊性，還有效控制了尺寸偏差。

1.2 多芯組瓷介電容類(lèi)型

多芯組瓷介電容包括片式瓷介電容器、高溫焊料和金屬引線(xiàn)，組成了電容結(jié)構(gòu)。①片式瓷介電容器是以普通的陶瓷電容器為主，并利用超過(guò)1 206 尺寸的電容器堆疊；②高溫焊料的焊料是以共晶溫度在240 ℃焊料為主，常見(jiàn)的有高鉛焊料和錫銻焊料，此類(lèi)材料支持二次焊接；③選擇金屬引線(xiàn)時(shí)，應(yīng)該重點(diǎn)檢查是否匹配片式瓷介電容器、高溫焊料，可伐、錫磷青銅這一類(lèi)材質(zhì)的金屬引線(xiàn)最為常見(jiàn)[4]。

根據(jù)片式瓷介電容器所使用的堆疊方法，多芯組瓷介電容有平行堆疊、垂直堆疊兩種類(lèi)型，而且分別體現(xiàn)出不同的優(yōu)勢(shì)與不足[5]。采用垂直堆疊方式的多芯組瓷介電容器，若干片式電容器在堆疊之后，重心不會(huì)發(fā)生改變，然而安裝面積卻會(huì)不斷增加，導(dǎo)致高密度組裝難度提升。

多芯組瓷介電容根據(jù)金屬引線(xiàn)成型這一方法，也被劃分為幾種不同的類(lèi)型，如“C”型、“J”型、“L”型等。每一種金屬引線(xiàn)都會(huì)在相應(yīng)的行業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，混合微電路使用的多芯組瓷介電容，通常以“C”型、“J”型多芯組瓷介電容為主。

2 多芯組瓷介電容焊接加固實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 焊接加固原因

混合微電路本身可靠性比較高，在生產(chǎn)制造階段基板主要利用氧化鋁、氮化鋁陶瓷，而焊盤(pán)則選擇鈀銀、鉑銀兩種材料。使用鉛錫焊料在基板焊盤(pán)上方焊接多芯組瓷介電容，因?yàn)楹副P(pán)材質(zhì)以銀為主，所以經(jīng)過(guò)回流焊、高溫存儲(chǔ)和老煉工藝的加工之后，受到熱應(yīng)力作用影響鉛錫焊料、焊盤(pán)必然會(huì)有Ag3Sn、Ag4Sn 等金屬間化合物產(chǎn)生，這種金屬間化合物表現(xiàn)出不良脆性，一旦金屬間化合物過(guò)量，便會(huì)對(duì)焊接界面電氣性能、機(jī)械性能造成干擾[6]。經(jīng)過(guò)以往焊接實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)回流焊作業(yè)之后，焊盤(pán)金屬間化合物的厚度在2～5 μm 之間，處于150 ℃的高溫存儲(chǔ)環(huán)境，當(dāng)時(shí)間不斷延長(zhǎng)，金屬間化合物厚度也會(huì)隨之增加，當(dāng)存儲(chǔ)時(shí)間達(dá)到24 h 之后，金屬間化合物的厚度將增加至5～8 μm，如果存儲(chǔ)時(shí)間延長(zhǎng)至360 h，測(cè)量發(fā)現(xiàn)金屬間化合物厚度將會(huì)達(dá)到16～20 μm。如果檢測(cè)發(fā)現(xiàn)金屬間化合物厚度已經(jīng)大于20 μm，那么處于環(huán)境應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力多重條件下，焊接界面也會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中這一現(xiàn)象，增加了基板焊盤(pán)上方多芯組瓷介電容脫落的概率[7]。

2.2 焊接加固方法

要想切實(shí)提高混合微電路多芯組瓷介電容的穩(wěn)定性與可靠性，建議在加固時(shí)采用硅橡膠、環(huán)氧樹(shù)脂，對(duì)于已經(jīng)焊接完畢的組件實(shí)施加固處理，可有效提高安裝強(qiáng)度與可靠性。盡管輔助加固的方法也可以進(jìn)一步改善焊接組件在安裝時(shí)的強(qiáng)度，但是如果具體的加固位置、采用加固方法和加固膠量沒(méi)有合理控制，便會(huì)在環(huán)境應(yīng)力篩選過(guò)程中，導(dǎo)致所有材料之間的熱膨脹系數(shù)偏差，從而造成組件失效[8]。針對(duì)多芯組瓷介電容加固方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，必須合理分析設(shè)計(jì)與實(shí)操是否可行、輔助加固實(shí)際的占用面積、多種類(lèi)多芯組瓷介電容的兼容性。針對(duì)這三點(diǎn)因素，不建議針對(duì)設(shè)計(jì)中所運(yùn)用的相應(yīng)加固載片、粘接劑，采用以下兩種加固方法。第一種加固方法，是將載片直接粘接在多芯組瓷介電容的底部，隨后載片、片式瓷介電容器的中間接觸部位涂抹粘接劑。第二種加固方式是在多芯組瓷介電容的一側(cè)貼裝載片，并利用粘接劑將載片、基板和載片、片式瓷介電容器連接。

上述兩種加固方法，分別在環(huán)境應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力的環(huán)境下展開(kāi)仿真分析，選擇典型平行堆疊瓷介電容器、可伐材質(zhì)的金屬引線(xiàn)以及鉛錫焊料。首先進(jìn)行溫度循環(huán)應(yīng)力條件下的仿真分析，這里提到的溫度循環(huán)，屬于非常嚴(yán)格的環(huán)境應(yīng)力篩選，按照《微電子器件實(shí)驗(yàn)方法和程序》中的相關(guān)要求，確定仿真分析的方法之后，將條件設(shè)置為C，溫度在－65 ℃～150 ℃之間，兩種加固方法分別展開(kāi)仿真分析，其間觀察完整溫度循環(huán)期間產(chǎn)生的應(yīng)力分布情況。根據(jù)仿真分析發(fā)現(xiàn)，處于溫度循環(huán)期間，多芯組瓷介電容器所呈現(xiàn)的最大應(yīng)力點(diǎn)，全部位于加固膠、瓷介電容器之間的接觸位置，第一種加固方法的電容本體所能夠承受的應(yīng)力最大是34.5 MPa，第二種加固方法的電容本體承受應(yīng)力最大只有14.0 MPa。瓷介電容器陶瓷層壓燒結(jié)通常會(huì)選擇鈦酸鋇一類(lèi)材質(zhì)，拉伸強(qiáng)度控制為70 MPa，處于溫度循環(huán)期間，電容承受應(yīng)力不會(huì)超過(guò)陶瓷材料呈現(xiàn)的抗拉強(qiáng)度。為了提高混合微電路的可靠性，建議溫度循環(huán)建議超過(guò)100 次，材料反復(fù)溫度循環(huán)時(shí)，極有可能發(fā)生疲勞、應(yīng)力集中等現(xiàn)象，所以第一種加固方式可能造成電容器損壞。

針對(duì)上述兩種加固方法展開(kāi)機(jī)械沖擊應(yīng)力仿真分析，混合微電路篩選、使用期間，必然會(huì)面臨機(jī)械應(yīng)力，機(jī)械沖擊、離心加速度是多芯組瓷介電容穩(wěn)定性的直觀影響因素。同樣需要參考《微電子器件實(shí)驗(yàn)方法和程序》中提出的要求，確定加固方法，選擇條件B，將峰值加速度設(shè)定為1 500 g，其中g(shù) 代表的是重力加速度，脈沖寬度則設(shè)定為0.5 ms，對(duì)于兩種加固方法同時(shí)施加機(jī)械沖擊載荷，觀察機(jī)械沖擊應(yīng)力分布情況。根據(jù)仿真操作的觀察，施加機(jī)械沖擊載荷兩種加固方法對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力點(diǎn)位置雖然不同，但是最大應(yīng)力都比較小。第一種加固方法的最大應(yīng)力點(diǎn)位于金屬引線(xiàn)，測(cè)算最大應(yīng)力是3.9 MPa。第二種加固方法最大應(yīng)力點(diǎn)位于載片，測(cè)算其最大應(yīng)力是6.0 MPa。綜合分析之后可以確定，兩種加固方法施加機(jī)械沖擊載荷，其間不會(huì)發(fā)生多芯組瓷介電容受損的問(wèn)題。

3 多芯組瓷介電容加固穩(wěn)定性效果檢驗(yàn)

按照以上提出的第二種加固方法，多芯組瓷介電容屬于常規(guī)形式的平行堆疊瓷介電容器，根據(jù)《混合集成電路通用規(guī)范》中提出的要求，可以對(duì)多芯組瓷介電容加固穩(wěn)定性效果進(jìn)行檢驗(yàn)。分別從高溫存儲(chǔ)、溫度循環(huán)、機(jī)械沖擊、掃頻振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)、恒定加速度5 個(gè)維度進(jìn)行檢驗(yàn)，確定檢驗(yàn)方法之后，按照上面5個(gè)維度依次設(shè)定檢驗(yàn)條件如下：①存儲(chǔ)溫度為-150℃，168 h；②溫度循環(huán)條件為C，進(jìn)行100 個(gè)循環(huán)；③機(jī)械沖擊設(shè)定為條件B；④掃頻振動(dòng)設(shè)定為條件A；⑤隨機(jī)振動(dòng)設(shè)定為條件F；⑥恒定加速度為49 500 m/s2，Y1方向。結(jié)束檢驗(yàn)之后，測(cè)定多芯組瓷介電容加固功能，可以確定最終加固效果滿(mǎn)足使用要求。

4 結(jié)論

綜上所述，混合微電路使用多芯組瓷介電容器，在安裝環(huán)節(jié)為了保證可靠性，針對(duì)多芯組瓷介電容一般會(huì)采取加固的方法。因?yàn)榇山殡娙莸牟牧喜煌?，所以選擇加固方法也有所區(qū)別。針對(duì)不同的加固方法，工作人員應(yīng)該展開(kāi)綜合分析，探討每種加固方法的優(yōu)缺點(diǎn)，必要的情況下還可以展開(kāi)試驗(yàn)分析，選擇適用性與可靠性最高的加固方法，保證多芯組瓷介電容安裝可靠性的同時(shí)，也可以為混合微電路的運(yùn)行提供支持，繼而有效提升多芯組瓷介電容加固水平，也為今后瓷介電容組裝階段的加固處理積累經(jīng)驗(yàn)。