摘 要：介绍采用先进厚膜混合集成工艺制造的高可靠DC/DC电源变换器，包括厚膜导体复合结构、高可靠粘结工艺、等离子体清洗工艺、深腔键合工艺、Cu丝漆包线点焊工艺和平行缝焊结构等许多新工艺、新材料和新技术，此类电源变换器的电性能优良，可靠性高，气密性指标(漏气率)可达5×10－4kPa·cm3/s，丝焊的键合强度和剪切强度均满足GJB548A的要求，完全适用于航天、弹、箭、星、船和舰等各类型号的电源变换。
关键词：DC/DC变换器；厚膜；高可靠；混合集成
High-reliable Military DC/DC Converter
Li Zixue， Ren aihua， Bao Peng， Liu Yaqiang， Li Hongli， Liang Xiaolan
(No.771 Research Institute of AerosPACe Times ElectroNIc Company,Xi'an of Shaanxi 710054,China)
Abstract：The high reliable DC/DC converter manufabricated using advanced thick-film hybrid integrated technology, involving composite thick-film conduct,high-reliable adhesion, plasma cleaning, deep-cavity bonding,Cu wire spot welding and parallel welding is introduced. The converter has excellent properties ，high reliability ，better encapsulation(5×10－4kPa·cm3/s),wire bonding strength and shearing strength meet requirement of GJB548A，and is totally suitable to various convert for space，missile，rocket，satellite，craft.
Keywords：DC/DC converter；thick film；high reliability；hybrid integration
1 引言
DC/DC电源变换器是一种具有功率现分配性质的二次电源。由于采用高频开关技术和微组装工艺，使这类电源不仅体积小，重量轻，而且可靠性极高。DC/DC电源变换器的组装工艺分为两大类：印制电路板组装工艺和厚膜混合集成微组装工艺。采用厚膜混合集成微组装工艺制造的DC/DC电源变换器具有工作温度范围更宽、可靠性更高、体积更小、重量更轻和效率更高等许多优点。因此，这类DC/DC变换器被广泛用于航空、航天等军事领域。
高可靠DC/DC变换器具有较高的密度，涉及功率耗散，大电流通路及高工作温度等一系列问题，所以，与一般的功率混合集成电路相比，高可靠DC/DC变换器的制造工艺具有一定的特殊性，要采用许多新工艺、新材料和新技术，如高密度的厚膜多层工艺；可使多种组装工艺相互兼容的厚膜导体复合结构技术；使H2烧结、丝焊、再流焊、烙铁锡焊、树脂粘结等多种组装工艺相兼容；满足功率器件导热性、变压器导磁性的高可靠粘结工艺；等离子体清洗工艺；粗、细丝深腔键合工艺；Cu丝漆包线点焊工艺；大腔体金属外壳平行缝焊工艺。
2 封装结构及工艺优化选择
2.1 封装结构的优化选择
DC/DC变换器是典型的功率电路，因此，采用散热性能好的厚膜工艺制造基板。考虑到封焊的原因，DC/DC系列变换器均采用深腔式金属外壳封装结构。从管壳与厚膜基板之间热应力相匹配的角度考虑，管壳材料选择与Al2O3基板的热膨胀系数相接近的10＃冷轧钢最为适宜。为便于键合，腔体高度≤15mm。厚膜基板选用90％的AL2Q3陶瓷材料，对于功率较大的器件，基板选用高热导率BeO材料，变压器可直接安装在管壳上以利于散热。
2.2 厚膜工艺
厚膜基板是96％的Al2O3陶瓷材料，厚膜基板要进行分割，以防基板开裂。为了提高布线密度，采用厚膜多层工艺。
2.3 组装工艺的优化选择
考虑到DC/DC系列变换器的功耗大、组装密度高等特点，组装工艺要采取一些特殊措施，以满足其要求。
设计时，应使发热元件均匀分布，防止热点集中，以利于散热；
变压器电感线圈的粘结，要选用导磁性好的粘结剂，以防止电感的损失；
功耗小的二极管、三极管及尺寸较小的独石电容器采用导电胶粘结，以利于返工；
对于功耗大的二极管、三极管及尺寸大的电容器，例如钽电容器、光耦等可以采用Pb－Sn再流焊工艺或H2烧结工艺；
压焊丝采用Al丝和Au丝两种，一般引线直径Φ>40μm时选Al丝，Φ≤40μm时选SiAl丝或Au丝；
在整个组装工艺中要采取先高温、后低温的组装工艺顺序。
3 制造工艺
除了使用常规工艺外，DC/DC变换器的基板制造还采用厚膜多层工艺和厚膜导体复合结构。
3.1 厚膜多层工艺
采用厚膜多层工艺制造DC/DC变换器基板，不仅提高了组装密度，而且使电路的控制部分集中，有利于漆包线的手工锡焊和外引线的焊接等组装工艺。介质层上制造的厚膜电阻器，精度可达1％,Tc≤1×10－4/℃。
3.2 厚膜导体复合结构
不同的组装技术要求用不同的厚膜导体材料作衬底。例如，功率芯片烧结、锡焊、再流焊需要Pd-Ag或Pt-Pd-Au、Ag厚膜导体作衬底。热压焊、超声焊等固相键合技术和Au-Si、Au-Sb、Au-Sn等低共熔焊需要Au厚膜导体作衬底。为了满足上述组装要求，采用Pd-Ag/Au、Pt-Pd-Au/Au、Ag平面厚膜导体复合结构，其搭接电阻器可完全满足电路的电性能要求。
4 DC/DC变换器组装工艺
DC/DC变换器的工作电流大，包含的元器件品种较多，不仅含电阻器、电容器等阻容元件，还含有电感器、变压器等感性元件，有小功率二极管、三极管和IC器件，也有VDMOST等大功率晶体管。因此，DC/DC变换器的组装涉及到再流焊、H2烧结、烙铁锡焊、丝焊、树脂粘结等多种工艺。
4.1 再流焊工艺
用63Sn－37Pb焊膏将大于1206的独石电容器、钽电容器、光耦、大功率管等尺寸较大的元器件再流焊在厚膜基板的焊区上，焊接温度是230℃。
4.2 点焊工艺
对于直径小于0.2mm的漆包线抽头采用点焊焊接在厚膜基板上。点焊焊点通过300℃、10h存贮和－50℃～125℃、50次温循后，完全可以达到可靠性要求。而且，点焊不用焊剂，避免了锡焊对厚膜导体的冲击，也不用清洗，所以，点焊是替代烙铁焊工艺的极佳方法。
4.3 树脂粘结工艺
通用的二极管、三极管及IC芯片、电感线圈、变压器、基板上座均采用树脂粘结工艺。采用树脂粘结不仅简化了工艺，易于返修，而且二极管和三极管的导电性能、变压器电感线圈的导磁性能、发热元件的导热性能均能满足要求，可靠性高。
4.4 等离子体清洗工艺
DC/DC变换器经过上述再流焊、烙铁焊、树脂粘结等多道工序后，才进行丝焊键合。再流焊、烙铁焊要用到助焊剂，虽然经过清洗工艺，难免还有杂质残留；树脂粘结后在烘烤过程中有机溶剂挥发，上述过程都会对丝焊键合区造成污染，所以，采用等离子体清洗工艺对键合区进行清洗，提高了丝焊键合的可靠性。
4.5 深腔键合工艺
由于采用深腔式金属外壳结构，一般的键合机无法进行键合，大功率芯片的键合采用127μm的Al丝进行键合，健合机为FK5450粗丝深腔键合机，中小功率芯片采用40μmSiAl丝键合，所用的机器为KS4129和WB7106深腔键合机。由于丝焊焊区采用了Au导体，粗Al丝焊点流过的电流大，焊点严重发热，会降低焊点的可靠性，在粗Al丝焊区上加镀Ni金属垫片，有利于焊点散热，提高键合的可靠性。
4.6 平行缝焊工艺
深腔式金属外壳需要平等缝焊工艺，与贮能焊相比，平行缝焊在封焊过程中，管壳及基板受到的机械应力小，不会使基板产生开裂，与锡封焊工艺相比，平行缝焊工艺的水汽含量可以控制在1×10－4以下，而且还克服了锡焊封盖造成电路污染或产生多余物等缺陷。
5 结论
通过DC/DC工艺方案的优选，关键工艺的攻关试验，突破了粗、细丝的深腔键合，变压器漆包线抽头焊接等关键技术，形成了一套完整的DC/DC制造工艺规程。依此工艺规程，我们生产了G类15个品种DC/DC系列变换器，其中代表品种通过了详细规范中规定的所有质量一致性试验项目。
采用厚膜集成工艺，可以制造高可靠DC/DC电源变换器。此类电源变换器的电性能优良，可靠性高，采用平行缝焊工艺，密封性指标(漏气率)为500×10－6kPa·cm3/s，丝焊的键合强度和芯片的剪切强度均满足GJB548A的要求。所以，混合集成工艺完全适用于高标准、高可靠DC/DC电源变换器的制造要求，所制造的DC/DC电源电路适用于航天、弹、箭、星、船、舰用的各种型号电源变换。
随着深腔键合工艺、变压器漆包线抽头焊接工艺等关键工艺技术的突破，DC/DC系列变换器的组装成品率及可靠性将会大大提高。
