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陶瓷基板材料的分类及其应用发展细解

来源: 发布时间: 2014-02-20 14:43:52

陶瓷基板材料以其优良的导热性和气密性,广泛应用于功率电子、电子封装、混合微电子与多芯片模块等领域。本文简要介绍了目前陶瓷基板的现状与以后的发展。

  1、 塑料和陶瓷材料的比较

  塑料尤其是环氧树脂由于比较好的经济性,至目前为止依然占据整个电子市场的统治地位,但是许多特殊领域比如高温、线膨胀系数不匹配、气密性、稳定性、机械性能等方面显然不适合,即使在环氧树脂中添加大量的有机溴化物也无济于事。

  相对于塑料材料,陶瓷材料也在电子工业扮演者重要的角色,其电阻高,高频特性突出,且具有热导率高、化学稳定性佳、热稳定性和熔点高等优点。在电子线路的设计和制造非常需要这些的性能,因此陶瓷被广泛用于不同厚膜、薄膜或和电路的基板材料,还可以用作绝缘体,在热性能要求苛刻的电路中做导热通路以及用来制造各种电子元件。

  2、 各种陶瓷材料的比较

  2.1 Al2O3

  到目前为止,氧化铝基板是电子工业中最常用的基板材料,因为在机械、热、电性能上相对于大多数其他氧化物陶瓷,强度及化学稳定性高,且原料来源丰富,适用于各种各样的技术制造以及不同的形状。

  2.2 BeO

  具有比金属铝还高的热导率,应用于需要高热导的场合,但温度超过300℃后迅速降低,

  最重要的是由于其毒性限制了自身的发展。

  2.3 AlN

  AlN有两个非常重要的性能值得注意:一个是高的热导率,一个是与Si相匹配的膨胀系数。缺点是即使在表面有非常薄的氧化层也会对热导率产生影响,只有对材料和工艺进行严格控制才能制造出一致性较好的AlN基板。目前大规模的AlN生产技术国内还是不成熟,相对于Al2O3,AlN价格相对偏高许多,这个也是制约其发展的瓶颈。综合以上原因,可以知道,氧化铝陶瓷由于比较优越的综合性能,在目前微电子、功率电子、混合微电子、功率模块等领域还是处于主导地位而被大量运用。

  3、 陶瓷基板的制造

  制造高纯度的陶瓷基板是很困难的,大部分陶瓷熔点和硬度都很高,这一点限制了陶瓷机械加工的可能性,因此陶瓷基板中常常掺杂熔点较低的玻璃用于助熔或者粘接,使最终产品易于机械加工。Al2O3、BeO、AlN基板制备过程很相似,将基体材料研磨成粉直径在几微米左右,与不同的玻璃助熔剂和粘接剂(包括粉体的MgO、CaO)混合,此外还向混合物中加入一些有机粘接剂和不同的增塑剂再球磨防止团聚使成分均匀,成型生瓷片,最后高温烧结。目前陶瓷成型主要有如下几种方法:

  ●辊轴轧制 将浆料喷涂到一个平坦的表面,部分干燥以形成黏度像油灰状的薄片,再将薄片送入一对大的平行辊轴中轧碾得到厚度均匀的生瓷片。

  ●流延 浆料通过锋利的刀刃涂复在一个移动的带上形成薄片。与其他工艺相比这是一种低压的工艺。

  ●粉末压制 粉末在硬模具腔内并施加很大的压力(约138MPa)下烧结,尽管压力不均匀可能产生过度翘曲但这一工艺生产的烧结件非常致密,容差较小。

  ●等静压粉末压制 这种工艺使用使用周围为水或者为甘油的模及使用高达69MPa的压力这种压力更为均匀所制成的部件翘曲更小。

  ●挤压 浆料通过模具挤出这种工艺使用的浆料黏度较低,难以获得较小容差,但是这种工艺非常经济,并且可以得到比其他方法更薄的部件。

  4 、基板种类及其特性比较

  现阶段较普遍的陶瓷散热基板种类共有HTCC、LTCC、DBC、DPC四种,其中HTCC属于较早期发展的技术,但由于烧结温度较高使其电极材料的选择受限,且制作成本相对昂贵,这些因素促使LTCC的发展,LTCC虽然将共烧温度降至约850℃,但缺点是尺寸精确度、产品强度等不易控制。而DBC与DPC则为国内近几年才开发成熟,且能量产化的专业技术,DBC是利用高温加热将Al2O3与Cu板结合,其技术瓶颈在于不易解决Al2O3与Cu板间微气孔产生之问题,这使得该产品的量产能量与良率受到较大的挑战,而DPC技术则是利用直接镀铜技术,将Cu沉积于Al2O3基板之上,其工艺结合材料与薄膜工艺技术,其产品为近年最普遍使用的陶瓷散热基板。然而其材料控制与工艺技术整合能力要求较高,这使得跨入DPC产业并能稳定生产的技术门槛相对较高。

  4.1 LTCC (Low-Temperature Co-fired Ceramic)

  LTCC 又称为低温共烧多层陶瓷基板,此技术须先将无机的氧化铝粉与约30%~50%的玻璃材料加上有机黏结剂,使其混合均匀成为泥状的浆料,接着利用刮刀把浆料刮成片状,再经由一道干燥过程将片状浆料形成一片片薄薄的生胚,然后依各层的设计钻导通孔,作为各层讯号的传递,LTCC内部线路则运用网版印刷技术,分别于生胚上做填孔及印制线路,内外电极则可分别使用银、铜、金等金属,最后将各层做叠层动作,放置于850~900℃的烧结炉中烧结成型,即可完成。详细制造过程LTCC生产流程图4.1

 


  图4.1LTCC生产流程图

  4.2 HTCC (High-Temperature Co-fired Ceramic)

  HTCC又称为高温共烧多层陶瓷,生产制造过程与LTCC极为相似,主要的差异点在于HTCC的陶瓷粉末并无加入玻璃材质,因此,HTCC的必须再高温1300~1600℃环境下干燥硬化成生胚,接着同样钻上导通孔,以网版印刷技术填孔与印制线路,因其共烧温度较高,使得金属导体材料的选择受限,其主要的材料为熔点较高但导电性却较差的钨、钼、锰…等金属,最后再叠层烧结成型。

  4.3 DBC (Direct Bonded Copper)

  直接敷铜技术是利用铜的含氧共晶液直接将铜敷接在陶瓷上,其基本原理就是敷接过程前或过程中在铜与陶瓷之间引入适量的氧元素,在1065℃~1083℃范围内,铜与氧形成Cu-O共晶液, DBC技术利用该共晶液一方面与陶瓷基板发生化学反应生成 CuAlO2或CuAl2O4相,另一方面浸润铜箔实现陶瓷基板与铜板的结合。陶瓷基板直接敷铜板的制造流程图如下图4.2。

 


  (a) Al2O3陶瓷基板敷铜板工艺 (b) AlN陶瓷基板敷铜板工艺

  图4.2 直接敷铜陶瓷基板工艺示意图

  直接敷铜陶瓷基板由于同时具备铜的优良导电、导热性能和陶瓷的机械强度高、低介电损耗的优点,所以得到广泛的应用。在过去的几十年里,敷铜基板在功率电子封装方面做出了很大的贡献,这主要归因于直接敷铜基板具有如下性能特点:

  ● 热性能好;

  ● 电容性能;

  ● 高的绝缘性能;

  ● Si相匹配的热膨胀系数;

  ● 电性能优越,载流能力强。

  直接敷铜陶瓷基板最初的研究就是为了解决大电流和散热而开发出来的,后来又应用到AlN陶瓷的金属化。除上述特点外还具有如下特点使其在大功率器件中得到广泛应用:

  ● 机械应力强,形状稳定;高强度、高导热率、高绝缘性;结合力强,防腐蚀;

  ● 极好的热循环性能,循环次数达5万次,可靠性高;

  ● 与PCB板(或IMS基片)一样可刻蚀出各种图形的结构;无污 染、无公害;

  ● 使用温度宽-55℃~850℃;热膨胀系数接近硅,简化功率模块的生产工艺。

  由于直接敷铜陶瓷基板的特性,就使其具有PCB基板不可替代特点。DBC的热膨胀系数接近硅芯片,可节省过渡层Mo片,省工、节材、降低成本,由于直接敷铜陶瓷基板没有添加任何钎焊成分,这样就减少焊层,降低热阻,减少孔洞,提高成品率,并且在相同载流量下 0.3mm厚的铜箔线宽仅为普通印刷电路板的10%;其优良的导热性,使芯片的封装非常紧凑,从而使功率密度大大提高,改善系统和装置的可靠性。

  为了提高基板的导热性能,一般是减少基板的厚度,超薄型(0.25mm)DBC板可替代BeO,直接敷接铜的厚度可以达到0.65mm,这样直接敷铜陶瓷基板就能承载较大的电流且温度升高不明显,100A电流连续通过1mm宽0.3mm厚铜体,温升约17℃;100A电流连续通过2mm宽0.3mm厚铜体,温升仅5℃左右。与钎焊和Mo-Mn法相比,DBC具有很低的热阻特性,以10×10mmDBC板的热阻为例:

  0.63mm厚度陶瓷基片DBC的热阻为0.31K/W,0.38mm厚度陶瓷基片DBC的热阻为0.19K/W,0.25mm厚度陶瓷基片DBC的热阻为0.14K/W。

  氧化铝陶瓷的电阻最高,其绝缘耐压也高,这样就保障人身安全和设备防护能力;除此之外DBC基板可以实现新的封装和组装方法,使产品高度集成,体积缩小。

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