CN112928072B - 一种氮化镓场效应晶体管抗辐照加固的封装器件 - Google Patents

一种氮化镓场效应晶体管抗辐照加固的封装器件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氮化镓场效应晶体管抗辐照加固的封装器件，应用于航空航天领域，包括：氮化镓场效应晶体管和氮化铝壳体；所述氮化铝壳体包含氮化铝底壳和氮化铝上盖，所述氮化铝底壳和氮化铝上盖之间通过合盖粘接剂密封形成密闭空间，所述氮化铝壳体内腔置有氮化镓场效应晶体管，所述氮化镓场效应晶体管的底部安装有焊条所述氮化铝壳体内腔底部还设有焊盘，所述焊条与所述焊盘通过焊膏焊接；所述焊盘的表面喷有金属镀层；该封装器件体积小、成本低、实现比传统抗辐照MOSFET更优的抗辐照和单粒子特性，且其参数和特性远远优于传统抗辐照MSOFET和商业MOSFET，同时解决GaN FET散热困难的问题，可直接运用于航天领域。

Description

一种氮化镓场效应晶体管抗辐照加固的封装器件
技术领域
本发明涉及抗辐照封装技术领域，具体涉及一种氮化镓场效应晶体管抗辐照加固的封装器件。
背景技术
在航天运用领域中，金属氧化物半导体器件(MOSFET)是很常用的开关晶体管，如开关电源中的浪涌抑制开关管、PWM调制开关管、同步整流开关管、输出负载开关等。由于在宇航运用领域中，要求器件具有抗辐照和单粒子的特性，商业MOSFET根本无法满足使用需求。目前常用的开关晶体管选用美国IR、国内771所等抗辐照和单粒子的MOSFET，其参数和特性远远低于商业MOSFET，而且价格也很昂贵，单个抗辐照MOSFET的价格通常在￥1万元左右，而在单机中通常会大量使用该器件，会严重导致单机成本的增加。随着航天事业的不断发展，在不断要求降低成本的同时还要求元器件的抗辐照和单粒子特性不能降低，继续使用传统抗辐照的MOSFET远远不能满足航天发展的低成本趋势。为了降低整个航天系统的成本，而金属氧化物半导体器件(MOSFET)又是很常用的开关晶体管，因此降低开关晶体管的成本是最有效的方式之一。
为了降低传统抗辐照MOSFET的成本，同时提高开关晶体管参数和特性，本发明提出了一种新颖的开关晶体管氮化镓场效应晶体管(GaN FET)，虽然GaN FET具有一定的抗辐照和单粒子的特性，但是并不能直接用于宇航环境中，必须经过抗辐照加固后才能在宇航中应用。本发明通过抗辐照加固的措施，实现比传统抗辐照MOSFET更优的抗辐照和单粒子特性，且其参数和特性远远优于传统抗辐照MSOFET和商业MOSFET。
发明内容
本发明所要解决是传统抗辐照MOSFET成本高、体积大、抗辐照特性和单粒子特性较差的技术问题，目的在于提出一种氮化镓场效应晶体管抗辐照加固的封装器件，成本低、体积小、抗辐照特性和单粒子特性优良，同时解决氮化镓场效应晶体管散热困难的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种氮化镓场效应晶体管抗辐照加固的封装器件，应用于航空航天领域，包括：氮化镓场效应晶体管和氮化铝壳体；所述氮化铝壳体包含氮化铝底壳和氮化铝上盖，所述氮化铝底壳和氮化铝上盖之间通过合盖粘接剂密封形成密闭空间，所述氮化镓场效应晶体管设置在所述氮化铝壳体内腔，所述氮化镓场效应晶体管的底部安装有焊条；所述氮化铝壳体内腔底部还设有焊盘，所述焊条与所述焊盘通过焊膏焊接；所述焊盘的表面喷有金属镀层；其中，所述合盖粘接剂的成分为Au和Sn，封装后器件结对壳的热阻RJC不超过2℃/W，封完外壳后器件中的导通电阻增加值控制在1mΩ以下，且引入的寄生电感小于10pH、引入的寄生电容小于1pF,基于EPC公司的GaN FET抗辐照加固后封装内部和加工完成后的产品封装为SMD-0.5，可直接通过底面接触散热，解决了GaN FET散热困难的问题,实现了比传统抗辐照MOSFET更优的抗辐照和单粒子特性，且成本只有传统抗辐照MOSFET价格的1/10，显著降低了开关晶体管的成本，并可直接运用于航天领域.
进一步，所述合盖粘接剂的成分为80％Au和20％Sn。
进一步，所述焊条材料为Pb和Sn，所述焊条材料的成分为95％的Pb和5％的Sn。
进一步，所述GaN FET和氮化铝底壳焊盘之间通过焊膏回流焊，使用Kester NXG1Type3SAC305或Kester NP505-HR SAC305 Type 4焊膏来焊接GaN FET器件。两种焊膏都具有88.5％金属的免清洗助焊剂。为了防止热气和电气枝晶的形成，建议即使使用免清洗助焊剂，也要从板上清洗掉助焊剂。可使用Kyzen Aquanox A4625化学品来消除免清洗助焊剂，且需要至少从三面清洗干净，才可以去除所有助焊剂。
进一步，所述焊膏的型号为Kester NXG1 Type 3SAC305或Kester NP505-HRSAC305 Type。
进一步，所述氮化铝底壳焊盘金属镀层包括Au层和典型Ni层。
进一步，使用化学镍金(ENIG)焊盘光洁度，它可以产生非常均匀、平坦的焊盘。对于ENIG光洁度，采用符合IPC-4552的150微英寸厚度的典型镍(Ni)和3～5微英寸厚度的金(Au)。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明提出了一种氮化镓场效应晶体管抗辐照加固的封装器件，该封装器件体积小、成本低、实现比传统抗辐照MOSFET更优的抗辐照和单粒子特性，且其参数和特性远远优于传统抗辐照MSOFET和商业MOSFET，同时解决GaN FET散热困难的问题，可直接运用于航天领域。
附图说明
在附图中：
图1为本发明示例性的封装加工示意图；
图2为本发明示例性GaN FET芯片清洗助焊剂的示意图；
图3为本发明示例性的加工流程图；
图4为本发明示例性推荐的焊锡回流焊曲线图；
图5为EPC2022抗辐照加固后RDS(ON)总剂量测试曲线图；
图6为EPC2022抗辐照加固后VTH总剂量测试曲线图；
图7为EPC2022抗辐照加固后单粒子测试曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例
如图1所示，本发明提出了一种氮化镓场效应晶体管抗辐照加固的封装器件，包含外壳封装材料要求、焊接工艺要求和工艺流程三部分。基于EPC公司的GaN FET抗辐照加固的封装方法步骤如下，其封装加工示意图如图1所示。
1、外壳封装材料要求
1)外壳材料：氮化铝(ALN)；
2)焊盘：采用符合IPC-4552的150微英寸的典型镍(Ni)厚度和3～5微英寸的金(Au)厚度；
3)合盖粘接剂材料：采用Au(80％)和Sn(20％)；
4)GaN的焊条材料：采用Pb(95％)和Sn(5％)。
2、焊接工艺要求
1)芯片预处理
需从厂家直接定制焊盘为高含铅量球形焊盘的裸芯片，或者购买无焊盘的裸芯片自己找专业厂家植入含铅量95％，含锡量5％的球形焊盘。
2)焊盘光洁度
使用化学镍金(ENIG)焊盘光洁度，它可以产生非常均匀、平坦的焊盘。对于ENIG光洁度，推荐符合IPC-4552的150微英寸的典型镍(Ni)厚度和3～5微英寸的金(Au)厚度。
3)选择焊膏
使用Kester NXG1 Type 3SAC305或Kester NP505-HR SAC305 Type 4焊膏来焊接eGaN器件。两种焊膏都具有88.5％金属的免清洗助焊剂。为了防止热气和电气枝晶的形成，建议即使使用免清洗助焊剂，也要从板上清洗掉助焊剂。可使用Kyzen Aquanox A4625化学品来消除免清洗助焊剂，且需要至少从三面清洗干净，才可以去除所有助焊剂，GaN FET的清洗示意图如图2所示。
3、加工流程
GaN FET的加工流程如图3所示，主要包括清洁封装、焊料沉积、放置GaN、回流焊、回流焊清洗、加盖密封等6个步骤，在封装时必须按照此流程进行，不能调换其顺序。
基于本发明的抗辐照加固封装方法，建议GaN FET的回流焊曲线如图4所示。器件回流时首先需要预热40～80s，使其温度按照2.5℃/s的速率上升至200℃左右。随后进入渗透区间，持续时间大约60～120s，在该区间的末段时温度大约升至240℃左右。在经过上述两个阶段后，器件真正进入回流区间，持续时间大约45～90s，回流焊的温度范围控制在235～250℃之间。最后器件进入冷却区，直到器件的温度降低至常温，整个回流焊的持续时间在3～5mins。
封装后器件结对壳的热阻RJC不超过2℃/W，封完外壳后器件中的导通电阻增加值控制在1mΩ以下，且引入的寄生电感小于10pH、引入的寄生电容小于1pF。
基于EPC公司的GaN FET抗辐照加固后封装内部和加工完成后的产品，产品封装为SMD-0.5，可直接通过底面接触散热，解决了GaN FET散热困难的问题。
4、GaN FET器件封装后抗辐照和单粒子测试结果
1)总辐射剂量测试
所有测试均遵循MIL-STD-750标准中的1019号办法，以器件EPC2022(100V，3.2mΩ)为例，进行测试。从图5和图6中可以看出，在辐射照射的过程中，漏极到源极偏压为100V，EPC2022器件的阈值电压(VTH)的变化率小于4％，RDS(ON)阻抗的变化率则小于5％。当辐射过程中的栅极至源极偏置电压是5V时，阈值电压(VTH)的变化率小于4％，RDS(ON)阻抗的变化率则小于8％。在两种偏压下的测试条件下，各项特性变化非常小，所有参数均维持在数据手册内所给定的限制值内。
2)单次事件效应(SEE)测试
所有测试遵循MIL-STD-750E标准中的1080号方法，使用线性能量转移(LET)值为83.7的金。以器件EPC2022(100V，3.2mΩ)为例，进行测试。从图7中可以看出，在漏极至源极偏置高达100V的条件下，100V的氮化镓场效应晶体管并没有发生任何单粒子栅穿(SEGR)或漏极断裂(SEB)的现象。氮化镓场效应晶体管展示了它的SEE性能超越了目前在合格军用清单(QML)上的所有等效硅MOSFET器件的性能。
本发明一种氮化镓场效应晶体管抗辐照加固的封装器件，实现了比传统抗辐照MOSFET更优的抗辐照和单粒子特性，且成本只有传统抗辐照MOSFET价格的1/10，显著降低了开关晶体管的成本，并可直接运用于航天领域。
本发明仅仅以EPC公司的GaN FET为例进行抗辐照加固封装，当然其他公司的GaNFET也可以按照此方法进行抗辐照加固封装，例如Transphorm、Navitas、ON、GaN Systems、Panasonic等等。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种氮化镓场效应晶体管抗辐照加固的封装器件，应用于航空航天领域，其特征在于，包括：氮化镓场效应晶体管(7)和氮化铝壳体(1)；所述氮化铝壳体(1)包含氮化铝底壳(13)和氮化铝上盖(11)，所述氮化铝底壳(13)和氮化铝上盖(11)之间通过合盖粘接剂(12)密封形成密闭空间，所述氮化镓场效应晶体管(7)设置在所述氮化铝壳体(1)内腔，所述氮化镓场效应晶体管(7)的底部安装有焊条(4)，所述氮化铝壳体(1)内腔底部还设有焊盘(6)，所述焊条(4)与所述焊盘(6)焊接；所述焊盘(6)的表面喷有金属镀层；
其中，所述合盖粘接剂(12)的成分为Au和Sn。
2.根据权利要求1所述的一种氮化镓场效应晶体管抗辐照加固的封装器件，其特征在于，所述合盖粘接剂(12)的成分为80％Au和20％Sn。
3.根据权利要求1所述的一种氮化镓场效应晶体管抗辐照加固的封装器件，其特征在于，所述焊条(4)材料为Pb和Sn。
4.根据权利要求3所述的一种氮化镓场效应晶体管抗辐照加固的封装器件，其特征在于，所述焊条(4)材料的成分为95％的Pb和5％的Sn。
5.根据权利要求1所述的一种氮化镓场效应晶体管抗辐照加固的封装器件，其特征在于，所述焊条(4)与所述焊盘(6)通过焊膏(5)焊接。
6.根据权利要求5所述的一种氮化镓场效应晶体管抗辐照加固的封装器件，其特征在于，所述焊膏(5)的型号为Kester NXG1 Type 3SAC305或Kester NP505-HR SAC305 Type4。
7.根据权利要求1所述的一种氮化镓场效应晶体管抗辐照加固的封装器件，其特征在于，所述金属镀层包括Au层和Ni层。
8.根据权利要求7所述的一种氮化镓场效应晶体管抗辐照加固的封装器件，其特征在于，所述Ni层的厚度为符合IPC-4552标准150微英寸。
9.根据权利要求8所述的一种氮化镓场效应晶体管抗辐照加固的封装器件，其特征在于，所述Au层的厚度为3～5微英寸。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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