Yüksek Isı İletilebilirliği MOS Kondansatörleri AuSn Arka tarafı 20V Yüksek yoğunluklu Kondansatör Tek katmanlı RF Güç Çip

AuSn Arka Yüzey MOS Kapasitör HACC101S20V101 100pF 20V Yüksek Termal İletkenlik Tek Katmanlı RF Güç Çipi

HACC101S20V101 Termal Olarak Mühendislik Yapılmış MOS Kapasitör: Güç RF Uygulamaları İçin AuSn Arka Yüzeyli 100pF 20V

HACC101S20V101, 300nm termal SiO₂ dielektrik üzerine float-zone silikon (>1000Ω·cm) üzerinde üretilmiş, 20V DC ile derecelendirilmiş 100pF ±%10 tek katmanlı bir MOS kapasitördür.

2

dielektrik. Çip boyutları 0.50mm * 0.50mm * 0.15mm olup, TiW-Au üst metalizasyon (minimum 2.5µm Au) ve TiW-Pt-Au arka yüzey (minimum 1.0µm Au) içerir. Akı içermeyen ötektik lehimleme işlemleri kullanan müşteriler için arka yüzeyde isteğe bağlı bir 80Au/20Sn ötektik ön kaplama katmanı (3-5µm kalınlığında) mevcuttur. _{Çip bağlantı boşluğu doğrulaması için X-ray, bağlantı teli yerleşimi ve topuk bütünlüğü için optik.}Bir çip kapasitörde birleşimden taşıyıcıya termal direnci (θ _{Çip bağlantı boşluğu doğrulaması için X-ray, bağlantı teli yerleşimi ve topuk bütünlüğü için optik.}) anlamak, ısı üretim yerinden ısı emiciye kadar olan seri termal dirençleri analiz etmeyi gerektirir. Toplam θ

• JC _{üç ana bileşenden oluşur:}Lehim bağlantı hattı direnci (Ryayılma₂ SiO _{Çip bağlantı boşluğu doğrulaması için X-ray, bağlantı teli yerleşimi ve topuk bütünlüğü için optik.} dielektrik ve üst elektrottaki ısı, arka yüzeye ulaşmak için 150µm silikon alt tabakadan yayılmalıdır. 300K'de 148 W/m·K olan silikonun termal iletkenliği, 0.50mm * 0.50mm'lik bir çip için yaklaşık 8 K/W'lık bir yayılma direnci sağlar. Bu, θ _{Çip bağlantı boşluğu doğrulaması için X-ray, bağlantı teli yerleşimi ve topuk bütünlüğü için optik.}'deki baskın terimdir. Karşılaştırma için, bir alümina alt tabaka (24 W/m·K) kabaca 60 K/W katkıda bulunur - 7.5 kat ceza - bu da seramik taşıyıcılar üzerindeki ince film kapasitörlerin neden doğal olarak silikon MOS kapasitörlerden daha yüksek θ
• JC_{'ye sahip olduğunu açıklar.}Lehim bağlantı hattı direnci (Rarayüz^): 1.0µm'lik altın arka yüzey katmanının ihmal edilebilir bir toplu termal direnci vardır (~0.001 K/W). Düzgün hazırlandığında, Au-AuSn arayüzündeki termal sınır direnci 10
• -8 _{m²·K/W'nin altındadır ve 0.25mm²'lik çip alanı için 0.04 K/W'ın altında katkıda bulunur.}Lehim bağlantı hattı direnci (Rbağlantı

): _{Çip bağlantı boşluğu doğrulaması için X-ray, bağlantı teli yerleşimi ve topuk bütünlüğü için optik.}AuSn bağlantılı 0.50mm'lik bir çip için ölçülen toplam θ

JC

, bu üç katkının toplamı artı ölçüm belirsizliği ve bağlantı hattı boşlukları için küçük bir marj ile tutarlı olarak 30 K/W'ın altındadır.

• 2. RF Güç Düşürme Metodolojisi ve GüvenilirlikRF güç işleme kapasitesi tek bir sayı değildir - frekansa, görev döngüsüne, ortam sıcaklığına ve kabul edilebilir ömre bağlıdır. HACC101S20V101, bilinçli düşürmeyi desteklemek için karakterize edilmiştir:_{RF_amplitüdü} 20V DC sürekli derecesi, >100V dielektrik kırılma dayanımına 5:1 marj sağlar. RF uygulamaları için, tepe voltajı (V_tepe = V_{DC_bias} + V_{RF_amplitüdü}) 20V derecesini aşmamalıdır. DC bias olmadan 50Ω'lık bir sistemde, bu 4W CW RF gücüne karşılık gelir (V
• tepe = √(2PR) = √(2*4*50) = 20V). 8-10dB tepe-ortalama oranına sahip modüle edilmiş sinyaller için (5G OFDM için tipik), aynı tepe voltaj limiti altındaki ortalama güç 6-10 kat daha düşük, yani yaklaşık 0.4-0.7W ortalama olabilir. _{Çip bağlantı boşluğu doğrulaması için X-ray, bağlantı teli yerleşimi ve topuk bütünlüğü için optik.} 1GHz'deki ESR tipik olarak 0.1Ω'ın altındadır. 0.5A RMS (50Ω'da 12.5W) altında, I²R ısınması 25mW'dir. θ
• JC< 30 K/W ile, bu, taşıyıcıdan 0.75°C'nin altında bir birleşim sıcaklığı artışı üretir - çoğu uygulama için ihmal edilebilir. 1.0A RMS'ye kadar sürekli akım (50mW dağılım, ~1.5°C artış) güvenli çalışma alanı içindedir. _{Çip bağlantı boşluğu doğrulaması için X-ray, bağlantı teli yerleşimi ve topuk bütünlüğü için optik.} Maksimum birleşim sıcaklığı 125°C'dir. 85°C'lik bir taşıyıcı sıcaklığında (baz istasyonu güç amplifikatörü paletleri için tipik), izin verilen sıcaklık artışı 40°C'dir, bu da 1.2W'lık maksimum güç dağılımına karşılık gelir (θ
• JC * ΔT = 30 * 40 = 1.2W, muhafazakar yuvarlama ile). Bu, herhangi bir pratik baypas veya DC-blok uygulamasındaki tipik dağılımdan çok daha yüksektir. _kayması Güç dağılımından tekrarlanan termal döngüler, lehim bağlantı hattında yorgunluğa neden olabilir. 100.000 güç döngüsü altında test edilen AuSn ötektik bağlantıları (ΔT _{Çip bağlantı boşluğu doğrulaması için X-ray, bağlantı teli yerleşimi ve topuk bütünlüğü için optik.} = 40°C, 30 saniyelik periyot) θ

JC

'de %10'dan az artış gösterdi, bu da minimum bağlantı hattı bozulması olduğunu gösteriyor. Sünek AuSn alaşımı, boşluk birleşmesi veya delaminasyon olmadan sürünme gevşemesi yoluyla döngüsel gerilimi karşılar.

• 3. AuSn Ötektik Metalurjisi ve Proses Entegrasyonu80Au/20Sn ötektik sistemi (erime noktası 280°C), yüksek güvenilirlikli hibrit montajda yaygın olarak kullanılır. Metalurjisini anlamak, montaj işlemini optimize etmeye yardımcı olur:_{Altın arayüzündeki intermetalik oluşumu:} Ötektik mikro yapı, Au_{Altın arayüzündeki intermetalik oluşumu:}Sn (ζ-faz) ve AuSn (δ-faz) intermetalik bileşiklerinin ince lamellar bir karışımından oluşur. Her iki faz da termodinamik olarak stabildir ve uzun süreli yüksek sıcaklık çalışması sırasında önemli bir mikro yapısal kabaşma geçirmezler. Au
• 5Sn fazı mekanik mukavemet sağlarken, AuSn fazı sünekliğe katkıda bulunur.
• Ön kaplama kalite kontrolü: Çip arka yüzeyindeki 3-5µm AuSn katmanı, bir wafer boyunca ±%10 kalınlık tekdüzeliği ile termal buharlaştırma ile kaplanır. Kompozisyon, her kaplama partisinden alınan şahit numuneler üzerinde X-ışını floresansı (XRF) ile doğrulanır. Au:Sn ağırlık oranı, geniş bir macun aralığı olmadan ötektik erime davranışını sağlamak için %80:20 ±%2 olarak kontrol edilir.₂ Tepe yeniden akış sıcaklığı 300-320°C (280°C ötektik noktasının 20-40°C üzerinde) olmalıdır. Likidüs üzerindeki süre 30-60 saniye olmalıdır. Oluşturma gazı (%95 N₂ / %5 H
• 2) atmosferi kalay oksidasyonunu önler. Akı gerekmez - oluşturma gazındaki hidrojen, önceden kaplanmış yüzeydeki herhangi bir doğal kalay oksidi azaltır. Yeniden akış odasındaki oksijen konsantrasyonu 10ppm'nin altında tutulmalıdır._{Altın arayüzündeki intermetalik oluşumu:} Yeniden akış sırasında, sıvı AuSn ötektiği, hem çip arka yüzeyinden hem de alt tabaka pedinden az miktarda altın çözer ve kompozisyonu ötektiğin altına doğru hafifçe kaydırır. Bu, katılaştıktan sonra her iki arayüzde de birincil Au

5

• Sn'nin ince bir tabakasıyla sonuçlanır, bu da bağı güçlendirir. Aşırı altın çözünmesi (her yüzeyden >5µm), likidüs sıcaklığını yükseltebilir, bu nedenle her iki eşleşen yüzeydeki toplam altın kalınlığı işlem tasarımında dikkate alınır.Ana Özellikler _{Çip bağlantı boşluğu doğrulaması için X-ray, bağlantı teli yerleşimi ve topuk bütünlüğü için optik.} 148 W/m·K silikon alt tabaka yayılma direncini en aza indirir (8 K/W). 57 W/m·K'deki AuSn bağlantı hattı, iletken epoksiye göre 10 kat daha düşük termal direnç sağlar. Toplam θ _{Çip bağlantı boşluğu doğrulaması için X-ray, bağlantı teli yerleşimi ve topuk bütünlüğü için optik.} 30 K/W'ın altında. 100k güç döngüsü, θ
• JC bozulması %10'un altında.Yüksek RF Güç İşleme:
• 20V DC derecesi, >100V kırılma ile (5:1 marj). ESR <0.1Ω@1GHz, 1A RMS'de I²R ısınmasını 50mW'ın altında sınırlar. 125°C maksimum birleşim sıcaklığı, AuSn bağlantılı 85°C taşıyıcıda 1.2W dağılıma izin verir.₂ AuSn lehim ön şekli veya macunu uygulayın, N₂/H
• 2₂SiO2 Dielektrik Kararlılığı:
• Neredeyse sıfır dielektrik ısınması (tan δ <0.001@1GHz). Termal kaçak riski yok - bazı ferroelektrik dielektriklerdeki üstel kaçaklara kıyasla sızıntı her 30-40°C'de ikiye katlanır.

Neredeyse Sıfır ESL:

AuSn kurşunsuzdur

Termal Tasarım Kılavuzu

Taşıyıcı malzeme seçimi: Çipin altındaki taşıyıcı malzeme, birleşimden çevreye toplam termal direnci önemli ölçüde etkiler. CuMo (7-9 ppm/°C CTE, 160-180 W/m·K), silikon ve termal iletkenlik için en iyi CTE eşleşmesi kombinasyonunu sağlar. AlN seramik (4.5 ppm/°C CTE, 170 W/m·K), alümina uyumlu işlemler için bir alternatiftir. Bakır-tungsten (CuW, 6-9 ppm/°C CTE, 180-200 W/m·K), artan ağırlık ve maliyetle biraz daha yüksek iletkenlik sunar.

Çoklu çip termal kuplajı: Çoklu çip modüllerinde, bitişik güç cihazları (GaN HEMT'ler, LDMOS transistörler), yerel taşıyıcı sıcaklığını sistem ortamının oldukça üzerine çıkarabilir. Güç transistörlerinin yakınına baypas kapasitörleri yerleştirirken, taşıyıcı boyunca yanal sıcaklık gradyanını hesaba katın. Muhafazakar bir kılavuz, taşıyıcı aracılığıyla aşırı iletken ısınmayı önlemek için kapasitör ile güç cihazı arka yüzeyi arasında en az bir çip genişliği (0.50mm) boşluk bırakmaktır.

Bağlantı teli akım kapasitesi:

• Tek bir 25µm çapında altın bağlantı teli yaklaşık 0.8A DC'lik bir füzyon akımına sahiptir. 0.5A RMS'nin üzerindeki RF akımları için, iki paralel bağlantı teli kullanın, bu da endüktans katkısını yarıya indirir. 1GHz'de, altında altın deri derinliği yaklaşık 2µm'dir - 25µm tel kesitinin tamamı akım taşır, bu nedenle deri etkisi akım taşıma kapasitesini önemli ölçüde bozmaz.
• Tipik Uygulamalar
• Baz plakası sıcaklıklarının 85°C'ye ulaştığı ve kapasitör dağılımının minimum sıcaklık artışıyla uzaklaştırılması gereken GaN-on-SiC güç amplifikatörü çıkış eşleştirme ağları
• Yüksek görev döngülü zaman bölmeli dupleks (TDD) sistemlerde yüksek güçlü RF anahtarı bias ağları
• 1-10W CW çıkış gücünde çalışan mikrodalga noktadan noktaya radyo vericileri
• Endüstriyel RF plazma jeneratörleri (13.56MHz, 27.12MHz ISM bantları) yüzlerce watt çıkış aşamalı

Kısıtlı termal yollara sahip faz dizili T/R modülü güç kaynağı ayırma

Dış mekan muhafazalarında pasif konveksiyon soğutmalı kablosuz altyapı uzak radyo üniteleri (RRU)Montaj Süreci Notları₂ AuSn lehim ön şekli veya macunu uygulayın, N₂/H2 oluşturma gazında 300-320°C tepe noktasında yeniden akış yapın. Alternatif olarak, gümüş dolgulu iletken epoksi (üretici profiline göre kürlenir, tipik olarak 1 saat için 150°C). AuSn önceden kaplanmış arka yüzey: Çipi doğrudan Au kaplı pede yerleştirin, ek lehim veya akı olmadan yeniden akış yapın. Tel bağlama: 120-150°C aşamada 25µm Au termosonik top bağlama, 25-35gf kuvvet, >6gf çekme mukavemeti. 0.5A RMS'nin üzerindeki RF akımları için, iki paralel 25µm bağlantı teli kullanın.

Muayene: _{Çip bağlantı boşluğu doğrulaması için X-ray, bağlantı teli yerleşimi ve topuk bütünlüğü için optik.}Ölçülen θ