碳化硅核辐射探测器的倒装焊设计
发布时间：2022-01-16 15:15
在核工业、航空航天、核医疗等应用场合,都必须要使用核辐射探测器对辐射量进行实时监测。目前普遍使用的核辐射探测器是硅基探测器。近年来,随着宽带隙半导体的广泛应用,碳化硅材料因其优良的抗辐射性能得到了广泛关注。因此针对碳化硅基的核辐射探测器的研究一直在进行,并且器件的特性也在逐步得到改善,达到应用水平。但要真正实际应用,还要对碳化硅核辐射探测器进行封装设计。本文针对一款特定尺寸的碳化硅核辐射探测器给出倒装焊设计方案。本文调研了现有的电气连接方式,选择倒装焊对碳化硅核辐射探测器进行电气连接。文章详细阐述了倒装焊工艺的特点和实现过程,简单实现了一个倒装焊工艺,结合工艺实现以后的测试结果和ANSYS工具的功能,确定了将焊料球的尺寸分布、焊接材料和基板材料作为待仿真确定的关键参数。设计总体采用控制变量的方法,依次确定了焊料球的尺寸、焊料的选择和基板材料。为了选定合适的焊料球尺寸,本文使用ANSYS工具建立了四种不同焊料球尺寸的模型,分别对模型施加同样的热生成载荷及边界条件,根据热学仿真结果,选定了尺寸100微米、中心距400微米的焊料凸点结构分布。为了选定合适的焊料,针对焊料失效模式,采用Anan...
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
典型的系统级封装设计流程
目前,针对核辐射探测器的封装设计集中在红外辐射探测器和核辐射探测器,其中尤其以红外辐射探测器的封装方案居多。引线键合工艺和芯片粘接工艺都与1.2.1节中提及的工艺相似。但是对器件封装结构的设计,硅红外辐射探测器有新的结构。由于红外探测器所探测的属于光波,因此应该尽量做到对探测区域的不遮挡,这就要求基板设计时给器件留出一定的窗口,用于捕获外界信号。有文献提出了一种不遮挡有效区域的表面贴装封装结构[23]。此外,其他很多辐射探测器的封装结构都偏好表面贴装形式的封装方案。表面形式的贴装(SMT,Surface Mount Technology)是指将没有引脚或引脚较短的器件放置在基板上,并通过回流焊等方式进行焊接的工艺。这种工艺日渐成熟,方案设计灵活,而且能保证尽量小的降低封装管壳对探测器探测效率的影响,是一种可靠的、体积小、适用范围广的封装方式。
针对硅基的核辐射探测器封装也有相关的研究。对于核辐射探测器的封装,抗辐射设计是不可避免的。目前常用的成熟抗辐射器件,除了要针对芯片本身的材料选型等做出特殊设计,还可以通过增加定时刷新电路以及过流保护等加强电路的抗辐射设计。而针对设计整体,几乎都选择一体化的管壳覆盖住所有的内部器件,做到物理隔绝和保护。针对外壳保护,相关文献从抗辐射、防腐蚀、气密性、真空封装甚至防眩光[24]等多个角度进行了分析设计,也有学者针对封装管壳的可拼铺结构[25]、封装定位机构及其定位方法[26]等进行研究。典型的核辐射探测器一体化封装结构如图1.5所示。目前,国内外已经研究了许多种核辐射探测器,但是做到从芯片设计到对应封装方案一体设计的很少。由于部分探测器本身就具有探测面比较小、漏电流偏大等缺点,缺少系统完善的测试结果。大部分研究都没有对探测器的工作环境进行模拟测试,尤其是对探测器电学特性影响比较大的温度,也没有相关测试。因此一些学者针对以上问题做出了系统研究。例如马骏所做的金硅面垒型核辐射探测器[27]的制备。这款探测器结构简单、探测器窗口比较薄、电学性能好、生产制作时残次率低,并且使用简单,在核辐射探测场合得到大面积推广。当工作温度为15摄氏度、反向偏压为100V时,文章中设计的直径为22mm的器件漏电流大小为1.2μA、直径26mm的器件漏电流大小为1.3μA,两种尺寸的器件击穿电压能达到甚至超过200V。其封装结构如图1.6所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]宇航用系统级封装产品可靠性设计综述[J]. 张小龙,龚科,李文琛,邢建丽. 质量与可靠性. 2019(06)
[2]双面散热SiC MOSFET模块的封装结构强度设计[J]. 陆国权,刘文,梅云辉. 电工电能新技术. 2018(10)
[3]非制冷红外焦平面探测器封装技术研究进展[J]. 王强,张有刚. 红外技术. 2018(09)
[4]碳化硅功率模块封装技术进展[J]. 曹峻,张兆强. 集成电路应用. 2018(08)
[5]碳化硅封装高功率半导体激光器散热性能研究[J]. 倪羽茜,井红旗,孔金霞,王翠鸾,刘素平,马骁宇. 中国激光. 2018(01)
[6]高密度陶瓷倒装焊封装可靠性试验开路后的失效定位[J]. 李含,郑宏宇,张崤君. 半导体技术. 2017(09)
[7]凸点材料的选择对器件疲劳特性的影响[J]. 刘建松,姚全斌,林鹏荣,曹玉生,练滨浩. 半导体技术. 2017(07)
[8]银烧结技术在功率模块封装中的应用[J]. 李聪成,滕鹤松,王玉林,徐文辉,牛利刚. 电子工艺技术. 2016(06)
[9]全烧结型SiC功率模块封装设计与研制（英文）[J]. 戴小平,吴义伯,赵义敏,王彦刚. 大功率变流技术. 2016(05)
[10]基于封装集成技术的高功率密度碳化硅单相逆变器[J]. 李宇雄,黄志召,方建明,陈材,康勇. 电源学报. 2016(04)
博士论文
[1]SiC MOSFET开关损耗模型与新结构研究[D]. 李轩.电子科技大学 2017
[2]纳米银浆低温快速烧结机理及其接头性能研究[D]. 王帅.哈尔滨工业大学 2014
[3]基于4H-SiC的中子探测技术研究[D]. 吴健.中国工程物理研究院 2014
硕士论文
[1]大面积金硅面垒型核辐射探测器制备工艺及其性能研究[D]. 马骏.东华理工大学 2018
[2]CSP封装LED倒装焊层可靠性研究[D]. 姜承硕.北京工业大学 2018
[3]4H-SiC肖特基结型α粒子探测器的制备与性能研究[D]. 叶鑫.大连理工大学 2018
[4]4H-SiC PiN二极管中子探测器的研究[D]. 王莎.西安电子科技大学 2018
[5]宇航用非气密性倒装焊器件耐湿技术研究[D]. 赵文中.中国航天科技集团公司第一研究院 2018
[6]宽带隙半导体4H-SiC核辐射探测器的设计与仿真[D]. 王伟.大连理工大学 2017
[7]倒装芯片微凸点焊工艺研究及焊点应变有限元仿真[D]. 许利伟.大连理工大学 2016
[8]用于X射线探测器的铟倒装焊封装[D]. 贾云丛.北京交通大学 2014
[9]E系列电子封装产品的热性能和热疲劳分析与设计[D]. 高察.北京工业大学 2013
本文编号：3592915
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
典型的系统级封装设计流程
目前,针对核辐射探测器的封装设计集中在红外辐射探测器和核辐射探测器,其中尤其以红外辐射探测器的封装方案居多。引线键合工艺和芯片粘接工艺都与1.2.1节中提及的工艺相似。但是对器件封装结构的设计,硅红外辐射探测器有新的结构。由于红外探测器所探测的属于光波,因此应该尽量做到对探测区域的不遮挡,这就要求基板设计时给器件留出一定的窗口,用于捕获外界信号。有文献提出了一种不遮挡有效区域的表面贴装封装结构[23]。此外,其他很多辐射探测器的封装结构都偏好表面贴装形式的封装方案。表面形式的贴装(SMT,Surface Mount Technology)是指将没有引脚或引脚较短的器件放置在基板上,并通过回流焊等方式进行焊接的工艺。这种工艺日渐成熟,方案设计灵活,而且能保证尽量小的降低封装管壳对探测器探测效率的影响,是一种可靠的、体积小、适用范围广的封装方式。
针对硅基的核辐射探测器封装也有相关的研究。对于核辐射探测器的封装,抗辐射设计是不可避免的。目前常用的成熟抗辐射器件,除了要针对芯片本身的材料选型等做出特殊设计,还可以通过增加定时刷新电路以及过流保护等加强电路的抗辐射设计。而针对设计整体,几乎都选择一体化的管壳覆盖住所有的内部器件,做到物理隔绝和保护。针对外壳保护,相关文献从抗辐射、防腐蚀、气密性、真空封装甚至防眩光[24]等多个角度进行了分析设计,也有学者针对封装管壳的可拼铺结构[25]、封装定位机构及其定位方法[26]等进行研究。典型的核辐射探测器一体化封装结构如图1.5所示。目前,国内外已经研究了许多种核辐射探测器,但是做到从芯片设计到对应封装方案一体设计的很少。由于部分探测器本身就具有探测面比较小、漏电流偏大等缺点,缺少系统完善的测试结果。大部分研究都没有对探测器的工作环境进行模拟测试,尤其是对探测器电学特性影响比较大的温度,也没有相关测试。因此一些学者针对以上问题做出了系统研究。例如马骏所做的金硅面垒型核辐射探测器[27]的制备。这款探测器结构简单、探测器窗口比较薄、电学性能好、生产制作时残次率低,并且使用简单,在核辐射探测场合得到大面积推广。当工作温度为15摄氏度、反向偏压为100V时,文章中设计的直径为22mm的器件漏电流大小为1.2μA、直径26mm的器件漏电流大小为1.3μA,两种尺寸的器件击穿电压能达到甚至超过200V。其封装结构如图1.6所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]宇航用系统级封装产品可靠性设计综述[J]. 张小龙,龚科,李文琛,邢建丽. 质量与可靠性. 2019(06)
[2]双面散热SiC MOSFET模块的封装结构强度设计[J]. 陆国权,刘文,梅云辉. 电工电能新技术. 2018(10)
[3]非制冷红外焦平面探测器封装技术研究进展[J]. 王强,张有刚. 红外技术. 2018(09)
[4]碳化硅功率模块封装技术进展[J]. 曹峻,张兆强. 集成电路应用. 2018(08)
[5]碳化硅封装高功率半导体激光器散热性能研究[J]. 倪羽茜,井红旗,孔金霞,王翠鸾,刘素平,马骁宇. 中国激光. 2018(01)
[6]高密度陶瓷倒装焊封装可靠性试验开路后的失效定位[J]. 李含,郑宏宇,张崤君. 半导体技术. 2017(09)
[7]凸点材料的选择对器件疲劳特性的影响[J]. 刘建松,姚全斌,林鹏荣,曹玉生,练滨浩. 半导体技术. 2017(07)
[8]银烧结技术在功率模块封装中的应用[J]. 李聪成,滕鹤松,王玉林,徐文辉,牛利刚. 电子工艺技术. 2016(06)
[9]全烧结型SiC功率模块封装设计与研制（英文）[J]. 戴小平,吴义伯,赵义敏,王彦刚. 大功率变流技术. 2016(05)
[10]基于封装集成技术的高功率密度碳化硅单相逆变器[J]. 李宇雄,黄志召,方建明,陈材,康勇. 电源学报. 2016(04)
博士论文
[1]SiC MOSFET开关损耗模型与新结构研究[D]. 李轩.电子科技大学 2017
[2]纳米银浆低温快速烧结机理及其接头性能研究[D]. 王帅.哈尔滨工业大学 2014
[3]基于4H-SiC的中子探测技术研究[D]. 吴健.中国工程物理研究院 2014
硕士论文
[1]大面积金硅面垒型核辐射探测器制备工艺及其性能研究[D]. 马骏.东华理工大学 2018
[2]CSP封装LED倒装焊层可靠性研究[D]. 姜承硕.北京工业大学 2018
[3]4H-SiC肖特基结型α粒子探测器的制备与性能研究[D]. 叶鑫.大连理工大学 2018
[4]4H-SiC PiN二极管中子探测器的研究[D]. 王莎.西安电子科技大学 2018
[5]宇航用非气密性倒装焊器件耐湿技术研究[D]. 赵文中.中国航天科技集团公司第一研究院 2018
[6]宽带隙半导体4H-SiC核辐射探测器的设计与仿真[D]. 王伟.大连理工大学 2017
[7]倒装芯片微凸点焊工艺研究及焊点应变有限元仿真[D]. 许利伟.大连理工大学 2016
[8]用于X射线探测器的铟倒装焊封装[D]. 贾云丛.北京交通大学 2014
[9]E系列电子封装产品的热性能和热疲劳分析与设计[D]. 高察.北京工业大学 2013
本文编号：3592915
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