氮化鋁與氧化鈹用于大功率電阻器產(chǎn)品

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在過去的幾十年里，氧化鈹（BeO）一直是用于高功率應(yīng)用的射頻電阻器和端接的主要基板材料。雖然BeO非常適合電子行業(yè)的大功率應(yīng)用，但其粉塵顆粒是有毒的;如果吸入BeO顆粒，它們可能會(huì)導(dǎo)致鈹中毒，即肺部炎癥。由于全球新興的健康和安全法規(guī)，各行各業(yè)都在限制使用BeO作為陶瓷基板材料。因此，電子行業(yè)正在尋找環(huán)保的基板材料來替代BeO。氮化鋁 （AlN） 的早期開發(fā)發(fā)生在 1960 年代，用于陶瓷封裝。AlN的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)優(yōu)于氧化鋁，介電常數(shù)不高于氧化鋁。當(dāng)時(shí)，AlN在電子應(yīng)用方面的全部潛力尚未完全實(shí)現(xiàn)。

AlN 和 BeO 的性質(zhì)

經(jīng)過廣泛的研究和開發(fā)，以及導(dǎo)熱系數(shù)的提高，AlN已成為基板材料BeO的替代品。雖然它不能作為BeO的100%直接替代品，但它是無毒的，處理安全，并且具有遠(yuǎn)高于氧化鋁（鋁2O3）并接近BeO。表 1詳細(xì)說明了 AlN、BeO 和 Al 的電學(xué)和物理特性2O3.AlN的介電常數(shù)為8.9，高于BeO，這是電路設(shè)計(jì)人員關(guān)注的問題，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致高分流電容。因此，為BeO建立的設(shè)計(jì)規(guī)則不能用于AlN襯底?？梢栽谑褂肁lN器件的設(shè)計(jì)中引入調(diào)諧電路，以克服額外電容的影響。下一節(jié)將介紹用于調(diào)諧電容的設(shè)計(jì)指南。AlN 上提供的熱分析數(shù)據(jù)使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⑦@種基板材料用于高功率微波應(yīng)用。1996 年，AlN 的電阻器和端接潛力首次被意識(shí)到。

表1

AlN、BeO和Al的典型屬性值2O3

財(cái)產(chǎn) 氮化 鋁 BeO的 鋁2O3

介電常數(shù) （1 MHz @ RT） 8.9 6.7 9.8

介電損耗 （1 MHz @ RT） 0.0001 0.0003 0.0002

電阻率 （Ohm-cm） < 1014 < 1014 < 1014

導(dǎo)熱系數(shù) （W/m K） 170-190 260 36

熱膨脹系數(shù) （ppm/°C） 4.6 8.5 8.2

密度 （g/cm）3) 3.30 3.85 2.89

抗彎強(qiáng)度 （mPa） 290 230 380

硬度（努氏） （GPa） 11.8 9.8 14.1

楊氏模量 （GPa） 331 345 372

為鋁材開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)厚膜漿料系統(tǒng)2O3幾十年前，BeO陶瓷被發(fā)現(xiàn)不適合AlN陶瓷材料。厚膜漿料制造商不得不投入資源來開發(fā)與AlN兼容的新型厚膜漿料和工藝。無論是使用 AlN、BeO 還是 Al2O3，厚膜漿料系統(tǒng)成功的關(guān)鍵在于燒制厚膜對(duì)陶瓷基板的長(zhǎng)期粘附可靠性。在AlN的情況下，在應(yīng)用厚膜漿料之前，必須適當(dāng)?shù)販?zhǔn)備表面。這通常涉及研磨表面或使用特殊溶劑進(jìn)行清潔過程。為了比較 BeO 和 AlN 之間的表面光潔度，使用 3D 表面掃描輪廓儀 KLA-Tencor P-11 進(jìn)行了表面掃描。圖 1詳細(xì)介紹了“燒制”10 至 15 分鐘的 BeO 的表面輪廓，該表面看起來不均勻、粗糙且密度較低，表面缺陷較低。同樣，圖 2顯示了 32 分鐘研磨的 AlN 的表面輪廓，它看起來均勻、粗糙度較低且密度高。表2比較了BeO和AlN的3D掃描粗糙度值。

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這樣的表面光潔度對(duì)于厚膜是可以接受的，但對(duì)于薄膜應(yīng)用來說是不可接受的。研磨過程中引入的任何表面缺陷都可能嚴(yán)重降低組件的性能。表面粗糙度對(duì)電阻器的影響會(huì)導(dǎo)致整個(gè)基板表面的電阻值發(fā)生變化。對(duì)于薄膜應(yīng)用，2 至 6 分鐘的表面光潔度是合適的，這樣可以最大限度地減少整個(gè)表面的任何電阻變化。這種表面光潔度是通過拋光粗糙表面直到達(dá)到所需的表面光潔度來實(shí)現(xiàn)的。

與BeO不同，AlN需要選擇合適的供應(yīng)商，然后調(diào)整制造工藝以使基板合格。由于不同的供應(yīng)商在成分和表面光潔度方面存在差異，因此選擇正確的供應(yīng)商非常重要。合適的供應(yīng)商還可以減少批次之間的不一致。

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薄膜技術(shù)已成功應(yīng)用于AlN陶瓷基板，用于制造用于高功率應(yīng)用的射頻電阻器和終端。由于AlN表面，無論是薄膜還是厚膜應(yīng)用，在高溫下與水接觸時(shí)都會(huì)分解為無定形氫氧化鋁，因此在進(jìn)行薄膜加工時(shí)必須進(jìn)行嚴(yán)格的控制。AlN與含有氨的清潔溶液發(fā)生反應(yīng)。氨將蝕刻基材并產(chǎn)生多孔表面光潔度。所有這些反應(yīng)都會(huì)導(dǎo)致薄膜和基材之間的附著力差，并且還會(huì)導(dǎo)致整個(gè)基材的電阻值發(fā)生變化。

同樣，當(dāng)AlN高功率電阻元件在潮濕條件下在100°C及以上工作時(shí)，可以預(yù)見到潛在的可靠性問題。為了克服這個(gè)問題，薄膜元件在SiO加工過程中受到保護(hù)，防止因處理而受到濕氣和損壞2或聚酰亞胺涂層。

使用 AlN 進(jìn)行設(shè)計(jì)

無論使用哪種類型的基板材料，設(shè)計(jì)都必須與材料的電容特性相抗衡。BeO和AlN的電容可以通過使用匹配網(wǎng)絡(luò)來抵消電容。150 W 的片式和蓋板端接將用作設(shè)計(jì)示例，以揭示材料的電容，并演示如何使用匹配網(wǎng)絡(luò)來抵消電容的影響。

設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)是 0.250“ x 0.375” AlN 襯底、鎳鉻薄膜、駐波比< 1.06、DC 至 2.0 GHz 頻率范圍和 150 W 功耗。開始設(shè)計(jì)需要使用穩(wěn)態(tài)熱流公式確定薄膜面積，如下所示

哪里

T = 薄膜溫度 （°C）

T一個(gè)= 環(huán)境溫度 （°C）

P = 功耗 （W）

D = 基板厚度 （m）

A = 薄膜面積 （m2)

k = 導(dǎo)熱系數(shù) （W/m°C）

基板厚度為40密耳，環(huán)境溫度假定為25°C。 最高膠片溫度將限制在125°C。 AlN在200°C時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)為130 W/m°C。 求解 A 的公式 1 可得到 24,226 mil 的薄膜面積2.使用基板材料的功率密度的更保守的公式也可用于計(jì)算面積

哪里

PD= 功率密度 （W/m2)

P = 器件功率 （W）

A = 薄膜面積 （m2)

AlN 的功率密度為 619 至 883 W/m2取決于耗電元件的布局和工藝。找到薄膜面積后，可以找到一些方形薄膜圖案的等效電路元件值。使用公式 1 中的面積，線寬和長(zhǎng)度必須為 155.6 mil。

要找到等效的電路元件，需要使用無損傳輸線的標(biāo)準(zhǔn)微帶公式。使用計(jì)算出的寬度為155.6 mil，基板厚度為40 mils，該方程得出的特征阻抗為26.53W，相速度為5.32 x 109in/s.計(jì)算這些值后，集總電路每單位長(zhǎng)度電感為7.687 x 10-10H 和 3.708 x 10 的電容-13F被發(fā)現(xiàn)。Microwave Office用于使用先前的計(jì)算值創(chuàng)建以下數(shù)據(jù)圖。圖3顯示了未調(diào)諧電路的電容與頻率的關(guān)系。圖4是未調(diào)諧阻抗的史密斯圖。

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圖5未調(diào)諧電路。 圖6150 W端接的調(diào)諧電路電容與頻率的關(guān)系。 圖7調(diào)諧電路的史密斯控制圖阻抗。

如數(shù)據(jù)所示，該器件開始時(shí)幾乎是純電容的，隨著頻率的增加，開始出現(xiàn)一些電感。未調(diào)諧部分的布局如圖 5所示。設(shè)計(jì)的下一步是計(jì)算消除電容的阻抗匹配方案。通過在2 GHz電抗下使用未調(diào)諧設(shè)計(jì)的復(fù)阻抗，可以找到可以有效消除大部分（如果不是全部）電容的值。一個(gè)簡(jiǎn)單的匹配網(wǎng)絡(luò)可用于計(jì)算使設(shè)備達(dá)到 50W所需的組件。圖6顯示了應(yīng)用匹配網(wǎng)絡(luò)后整個(gè)頻率范圍內(nèi)的新電容值。請(qǐng)注意，當(dāng)頻率接近其極限時(shí)，電容是如何減小的。該圖還顯示了添加匹配網(wǎng)絡(luò)后電容的顯著變化。圖7是調(diào)諧電路的新史密斯圓圖。通過添加匹配網(wǎng)絡(luò)，最大 SWR 從 1.70 更改為 1.04。與完美匹配的偏差是由于匹配組件的精度不足。帶有調(diào)諧的新布局如圖 8所示。

設(shè)計(jì)過程的最后一步是通過分布式近似實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)募倖卧Ｒ话銇碚f，長(zhǎng)寬比大于 1 將實(shí)現(xiàn)電感器，長(zhǎng)寬比小于 1 將實(shí)現(xiàn)電容器。另一個(gè)考慮因素是驗(yàn)證制造過程是否能夠構(gòu)建實(shí)現(xiàn)電路元件所需的尺寸。

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實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

樣品是按照公司的程序制造和組裝的。對(duì)于這些測(cè)試，使用錫鉛鍍片制備芯片，使用Sn62焊料焊接到焊盤上，并使用預(yù)成型Sn62焊料焊接到芯片上的鍍鎳法蘭。以下測(cè)試是使用 Chatillion 測(cè)力計(jì)按照 MIL-STD-883 規(guī)范進(jìn)行的。對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并制成表格如下。

對(duì)卡舌施加水平力，直到將其從墊子中拉出。拉動(dòng)測(cè)試如圖9所示，在元件頂部有一個(gè)蓋子，因?yàn)槠渲性S多組件都是通過蓋子提供給用戶的，蓋子連接到基礎(chǔ)芯片上。拉取測(cè)試結(jié)果如表 3所示。

圖11和圖12中的耐久性測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，AlN和BeO上的電阻趨于穩(wěn)定在電阻的指定容差范圍內(nèi)。在150 W耐久性測(cè)試期間，在蓋板上測(cè)得的薄膜溫度對(duì)AlN達(dá)到190°C，對(duì)BeO達(dá)到184°C。正如預(yù)期的那樣，BeO由于其高導(dǎo)熱性而保持了比AlN更低的溫度。

熱分析

圖13芯片中發(fā)生的三個(gè)月傳熱模式。

根據(jù)AlN器件中不同功率水平的散熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用熱模型分析了器件內(nèi)部的溫度變化。圖13所示的三種基本傳熱模式用于分析。

輻射

q =SEr（噸4s-T4一個(gè))

哪里

q = 輻射功率，單位為 W/m2

er= 固體的發(fā)射率 （0

s= 稱為 Stefan 常數(shù)的通用常數(shù) （5.670 x 10-8） W/m2K4

Ts= 固體 K

T 的溫度一個(gè)= 芯片附近的空氣溫度

對(duì)流

q = h（Ts-T一個(gè))

哪里

q = 單位表面的傳熱 W/m2

h = 對(duì)流系數(shù) （W/m2K） 它是自然冷卻表面空氣速度的函數(shù)

傳導(dǎo)

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哪里

q = 單位表面的傳熱 W/m2

k = 導(dǎo)熱系數(shù) （W/mK）

DX = 熱路厚度

當(dāng)功率高達(dá) 75 W 時(shí)，根據(jù)熱分析確定的芯片傳熱百分比為

輻射< 0.01%

對(duì)流< 0.01%

傳導(dǎo)> 99.98%

該分析適用于75 W（歸一化）的AlN芯片，基溫保持在100°C。

圖14AlN熱分析數(shù)據(jù)的溫度曲線。

圖14中的熱分析曲線顯示了芯片內(nèi)部的溫度變化，電阻元件在75 W時(shí)達(dá)到最高溫度為161°C，而基溫度保持在100°C。 相比之下，電阻元件在BeO上75 W時(shí)達(dá)到的溫度僅為144°C，AlN上的電阻元件溫度為158°C。 這表明BeO由于其更高的導(dǎo)熱性，能夠比AlN更快地散熱。對(duì)于帶蓋和低功耗的芯片，可以進(jìn)行類似的比較，分別如圖15和圖16所示。

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圖15熱分析的溫度與功率耗散百分比曲線。 圖16實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的溫度與功率耗散百分比的關(guān)系。

結(jié)論

關(guān)于BeO和AlN作為BeO的替代品，在高功率電阻器和端接應(yīng)用中已經(jīng)完成了廣泛的比較研究。從內(nèi)部生產(chǎn)的產(chǎn)品中收集和分析的BeO和AlN實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，盡管在電氣、機(jī)械和熱性能方面存在相當(dāng)大的差異，但基于AlN的高功率電阻元件可以成功地與BeO元件并排競(jìng)爭(zhēng)，并具有AlN無毒的額外優(yōu)勢(shì)。

?審核編輯 黃宇