Liczba wyświetleń:0 Autor:Czerwiec 2017, 31(S2),277-281 Wysłany: 2025-02-13 Źródło:秦典成; 李保忠; 肖永龙; 张军杰
Streszczenie: Podłoże rozpraszające ciepło jest ważnym kanałem rozpraszania ciepła elementów elektronicznych dużej mocy, a jego przewodność cieplna będzie bezpośrednio wpływać na niezawodność i żywotność elementów elektronicznych typu energetycznego. W artykule szczegółowo przedstawiono schemat techniczny i stan rozwoju metalizacji powierzchniowej ceramiki jako materiału podłoża rozpraszającego ciepło o wysokiej przewodności cieplnej, wskazano kluczowe trudności techniczne różnych schematów metalizacji, porównano i przeanalizowano cechy i różnice w działaniu różnych podłoży rozpraszających ciepło opakowań ceramicznych i na tej podstawie prognozowano trend rozwojowy podłoży ceramicznych.
Problem odprowadzania ciepła stopniowo stał się wąskim gardłem ograniczającym rozwój produktów energoelektronicznych w kierunku dużej mocy i światła. Ciągłe gromadzenie się ciepła w elementach energoelektronicznych będzie stopniowo zwiększać temperaturę złącza chipa i powodować naprężenia termiczne, powodując szereg problemów z niezawodnością, takich jak krótsza żywotność i zmiany temperatury barwowej. W zastosowaniach do pakowania komponentów elektronicznych typu power podłoże chłodzące nie tylko przejmuje funkcje połączenia elektrycznego i wsparcia mechanicznego, ale także ważny kanał przekazywania ciepła. W przypadku urządzeń energoelektronicznych podłoże opakowania powinno charakteryzować się wysoką przewodnością cieplną, izolacją i odpornością cieplną, a także wysoką wytrzymałością i współczynnikiem rozszerzalności cieplnej odpowiadającym chipowi.
Obecnie powszechnym na rynku podłożem rozpraszającym ciepło jest głównie podłoże metalowe (MCPCB) i podłoże ceramiczne. Ze względu na wyjątkowo niską przewodność cieplną warstwy izolacji termicznej, MCPCB staje się coraz trudniejsze do dostosowania do wymagań rozwojowych komponentów elektronicznych typu power. Podłoże ceramiczne jako nowy materiał rozpraszający ciepło, jego wszechstronne właściwości, takie jak przewodność cieplna i izolacja, nie mają sobie równych w przypadku zwykłego MCPCB, a metalizacja powierzchni podłoża ceramicznego jest ważnym warunkiem wstępnym określenia jego praktycznego zastosowania.
W artykule szczegółowo przedstawiono technologię i stan badań metalizacji powierzchni podłoża ceramicznego, opisano zasadę różnych schematów metalizacji oraz wskazano kluczowe punkty kontroli technicznej każdego schematu, aby zapewnić odniesienie techniczne przy wyborze ceramicznego podłoża opakowaniowego LED typu mocy.
Po spiekaniu powierzchnię podłoża ceramicznego należy metalizować, a następnie za pomocą transferu obrazu wykonać wzór powierzchni, aby uzyskać odpowiednie właściwości połączenia elektrycznego podłoża ceramicznego. Metalizacja powierzchniowa jest kluczową częścią produkcji podłoży ceramicznych, ponieważ zdolność zwilżania metalu w wysokich temperaturach na powierzchni ceramicznej określa siłę wiązania między metalem a ceramiką, a dobra siła wiązania jest ważną gwarancją stabilności działania opakowań LED.
Dlatego też, jak zastosować metalizację na powierzchniach ceramicznych i poprawić siłę wiązania między nimi, stało się przedmiotem zainteresowania wielu badaczy naukowych i technologicznych [4,5,6]. Obecnie powszechne metody metalizacji powierzchni ceramicznych można z grubsza podzielić na kilka form, takich jak metoda współwypalania (HTCC i LTCC), metoda grubowarstwowa (TFC), metoda bezpośredniego stosowania miedzi (DBC), metoda bezpośredniego stosowania aluminium (DBA) i metoda cienkowarstwowa (DPC) [7,8].
Współspalane wielowarstwowe podłoża ceramiczne cieszą się w ostatnich latach dużym zainteresowaniem, ponieważ mogą spełniać wiele wymagań stawianych układom scalonym poprzez osadzanie w podłożach elementów pasywnych, takich jak linie sygnałowe i mikroprzewody, przy użyciu technologii grubowarstwowej [9].
Istnieją dwa rodzaje metod współspalania, jedna to współspalanie w wysokiej temperaturze (HTCC), a druga to współspalanie w niskiej temperaturze (LTCC). Przebieg procesu w obu przypadkach jest zasadniczo taki sam. Głównym procesem produkcyjnym jest przygotowanie zawiesiny, taśma odlewnicza, suszenie surowego półfabrykatu, wiercenie otworu, otwór do napełniania sitodrukiem, linia do sitodruku, spiekanie laminowane i końcowe krojenie oraz inne procesy obróbki końcowej. Proszek tlenku glinu i klej organiczny miesza się w celu utworzenia zawiesiny, a następnie zawiesinę przetwarza się na arkusze za pomocą skrobaka. Po wysuszeniu powstaje zielony kęs ceramiczny [10]. Następnie na surowym kęsie obrabiane są otwory pilotowe zgodnie z wymaganiami projektowymi i wypełniany jest proszkiem metalowym. Na koniec każda warstwa surowego kęsa jest laminowana, spiekana i formowana w piecu do współspalania. Chociaż proces obu metod współspalania jest w przybliżeniu taki sam, temperatura spiekania jest bardzo różna. Temperatura współspalania HTCC wynosi 1300 ~ 1600 ℃, podczas gdy temperatura spiekania LTCC wynosi 850 ~ 900 ℃. Główną przyczyną tej różnicy jest dodatek zawiesiny spiekalniczej LTCC w celu obniżenia temperatury spiekania materiału szklanego, której nie ma we współspalanej zawiesinie HTCC. Chociaż materiał szklany może obniżyć temperaturę spiekania, przewodność cieplna podłoża może znacznie się zmniejszyć [11,12,13].
Współspalane podłoże ceramiczne ma znaczące zalety w zwiększaniu gęstości montażu, skracaniu długości połączeń, zmniejszaniu opóźnienia sygnału, zmniejszaniu głośności i poprawie niezawodności. Bardziej powszechnym zastosowaniem współspalanego podłoża jest zakopanie różnych urządzeń pasywnych w spiekaniu pasty ceramicznej, utworzenie trójwymiarowego zintegrowanego i niezakłócającego obwodu o dużej gęstości, zamontowanie na jego powierzchni układu scalonego i urządzeń aktywnych, utworzenie udanego modułu zintegrowanego, dalsze zmniejszenie struktury obwodu, poprawa gęstości integracji, szczególnie odpowiednie dla komponentów komunikacyjnych o wysokiej częstotliwości [13]. Jednakże, ponieważ zarówno HTCC, jak i LTCC wykorzystują sitodruk do ukończenia produkcji grafiki, proces drukowania ma duży wpływ na dokładność wymiarową i chropowatość powierzchni grafiki. Jednocześnie proces laminowania może powodować niedokładne wyrównanie grafiki, co prowadzi do nadmiernego gromadzenia się tolerancji. Ponadto surowy kęs ma skłonność do nierównomiernego skurczu w procesie spiekania, co w dużym stopniu ogranicza zastosowanie procesu współspalania [14,15].
Metoda grubowarstwowa odnosi się do metody sitodruku, w której pasta przewodząca jest nakładana bezpośrednio na osnowę ceramiczną, a następnie spiekana w wysokiej temperaturze, aby warstwa metalu była mocno związana z osnową ceramiczną. Wybór grubowarstwowej pasty przewodzącej jest kluczowym czynnikiem przy określaniu procesu grubowarstwowego, który składa się z fazy funkcjonalnej (tj. proszku metalu o wielkości cząstek mniejszej niż 2 μm), fazy wiążącej (spoiwa) i nośnika organicznego. Powszechnie stosowane proszki metali obejmują Au, Pt, Au/Pt, Au/Pd, Ag, Ag/Pt, Ag/Pd, Cu, Ni, Al i W, wśród których większość stanowią zawiesiny Ag, Ag/Pd i Cu [16]. Spoiwem jest na ogół materiał szklany lub tlenek metalu lub ich mieszanina, a jego rolą jest połączenie ceramiki i metalu oraz określenie przyczepności zawiesiny grubowarstwowej do ceramiki matrycowej, co jest kluczem do produkcji zawiesiny grubowarstwowej. Rolą nośnika organicznego jest przede wszystkim rozproszenie fazy funkcjonalnej i związanie fazy, a jednocześnie utrzymanie określonej lepkości zawiesiny grubowarstwowej w celu przygotowania do późniejszego sitodruku, która w procesie spiekania będzie stopniowo odparowywać [17].
Obecnie badania nad grubowarstwową pastą elektroniczną z tlenku glinu osiągnęły dojrzałość, natomiast grubowarstwowa pasta elektroniczna z azotku glinu ma nadal duże pole do rozwoju, co spowodowane jest niezadowalającą zwilżalnością większości metali przez ceramikę azotku glinu [17]. Aby poprawić siłę wiązania pomiędzy metalem i ceramiką z azotku glinu w procesie produkcji grubowarstwowej, istnieją dwie powszechne metody. Jednym z nich jest użycie materiału szklanego jako fazy wiążącej, aby warstwa metalu i warstwa AlN osiągnęły połączenie mechaniczne; Drugim jest dodanie substancji, która może reagować z AlN jako fazą wiążącą i uzyskać wiązanie chemiczne poprzez reakcję z AlN. Obecnie głównym składem większości systemów wiążących szkło z zawiesiny azotku glinu jest SiO2-B2O3, ponieważ szkło krzemianowe i szkło boranowe mają dobre działanie zwilżające azotek metalu i aluminium. Ponadto temperatura mięknienia szkła boranowego jest niska, co może poprawić szybkość wypalania i zwiększyć gęstość po spiekaniu. Jednakże niska temperatura mięknienia boranu spowoduje również jego zmiękczenie przed osiągnięciem temperatury spiekania metalizacyjnego, tak że warstwa metalu nie będzie mogła utworzyć skutecznej struktury sieciującej z ceramiką azotku glinu. Dodatek krzemianu może skutecznie rozwiązać ten problem. Jednocześnie wydajność fazy szklanej można dodatkowo poprawić poprzez dodanie odpowiedniej ilości metalu alkalicznego i metalu ziem alkalicznych do fazy szklanej, ponieważ metal alkaliczny lub metal ziem alkalicznych mogą różnicować szkło i zmniejszać lepkość szkła. Generalnie wraz ze wzrostem ilości metalu alkalicznego lub ziem alkalicznych lepkość ulegnie znacznemu zmniejszeniu, co sprzyja poprawie płynności zaczynu oraz przyspieszeniu metalizacji i spiekania. Powszechnie stosowane metale alkaliczne lub metale ziem alkalicznych obejmują Li2O, Na2O, K2O, BaO i PdO itp. [18,19]. Ponadto można dodać pewne substancje, które mogą reagować z azotkiem glinu, tworząc nowe fazy, takie jak Cr2O3, PdO, ZnO itp., A siłę wiązania reakcyjnego utworzoną przez nową fazę można wykorzystać do poprawy siły przyczepności zawiesiny po metalizacji. Wykazano, że niektóre tlenki metali ziem alkalicznych, krzemu i boru, a także tlenki cyrkonu, żelaza, ołowiu i fosforu, mogą reagować z AlN tworząc nowe substancje [20,21]. Przykładowo, zastosowanie fazy wiążącej ZrB2, w związku z utworzeniem w procesie reakcji nowej fazy Al2O3·B2O3 (boral spinel), siła wiązania pomiędzy warstwą metalizowaną a ceramiką z azotku glinu może sięgać nawet 24MPa, a ZrO2 powstały w procesie reakcji może również przyspieszyć utlenianie AlN, ułatwiając w ten sposób reakcję.
Grubość warstwy metalu po spiekaniu TFC wynosi zazwyczaj 10 ~ 20 μm, a minimalna szerokość linii wynosi 0,1 mm. Ze względu na dojrzałą technologię, prosty proces i niski koszt, TFC jest stosowany w opakowaniach LED o niskich wymaganiach dotyczących dokładności graficznej. Jednocześnie TFC ma pewne wady, takie jak niska dokładność graficzna (błąd wynosi ± 10%), na stabilność powłoki łatwo wpływa jednorodność zawiesiny, słaba płaskość linii (powyżej 3 μm) i przyczepność nie jest łatwa do kontrolowania, więc zakres jego stosowania jest ograniczony.
DBC to metoda metalizacji polegająca na łączeniu folii miedzianej na powierzchni ceramicznej (głównie Al2O3 i AlN), która jest nowym procesem opracowanym wraz z rozwojem technologii pakowania chip on board (COB). Podstawową zasadą jest wprowadzenie tlenu pomiędzy Cu i ceramiką, a następnie utworzenie eutektycznej fazy ciekłej Cu/O w temperaturze 1065 ~ 1083 ℃, a następnie reakcja z matrycą ceramiczną i folią miedzianą, tworząc CuAlO2 lub Cu(AlO2)2 i realizację wiązania pomiędzy folią miedzianą i matrycą pod działaniem fazy pośredniej. Ponieważ Al N jest ceramiką beztlenkową, kluczem do pokrycia miedzi na jej powierzchni jest utworzenie na jej powierzchni warstwy przejściowej Al2O3 i zapewnienie skutecznego wiązania pomiędzy folią miedzianą a ceramiką matrycową pod działaniem warstwy przejściowej [22].
Wprowadzenie tlenu jest bardzo krytycznym etapem procesu DBC. Czas utleniania i temperatura utleniania to dwa najważniejsze parametry w tym procesie, które mają bardzo istotny wpływ na siłę wiązania pomiędzy ceramiką a folią miedzianą po związaniu. Po ustaleniu czasu utleniania i temperatury utleniania osnowa Al2O3 bez wstępnej obróbki utleniającej w procesie łączenia z folią miedzianą, ponieważ tlenowi trudno jest przedostać się do granicy między folią miedzianą a podłożem ceramicznym, faza ciekła Cu/O ma słabą zwilżalność na podłożu, a ostatecznie na granicy faz pozostanie duża liczba dziur i defektów. Po wstępnym utlenieniu matrycy można zapewnić wystarczający dopływ tlenu w tym samym czasie co powłokę, dzięki czemu ciekła faza Cu/O ma dobrą zwilżalność na matrycy ceramicznej i folii miedzianej, wnęki i defekty międzyfazowe są znacznie zmniejszone, a siła wiązania pomiędzy folią miedzianą a osnową jest również bardziej trwała. W przypadku AlN, ponieważ AlN jest związkiem o silnym wiązaniu kowalencyjnym, zwilżalność fazy ciekłej Cu/O jest słaba. Kiedy miedź DBC jest nakładana na jej powierzchnię, zwilżalność fazy ciekłej Cu/O na osnowie ceramicznej musi zostać zwiększona poprzez modyfikację powierzchni, aby zapewnić siłę wiązania folii miedzianej i osnowy. Obecnie powszechną praktyką jest stosowanie wstępnego utleniania w celu uzyskania określonej grubości, jednolitej dyspersji i gęstej struktury filmu Al2O3 na powierzchni AlN. Ze względu na niedopasowanie współczynnika rozszerzalności cieplnej folii z tlenku glinu i osnowy z azotu glinu, siła wiązania dwufazowej granicy faz może ulec pogorszeniu w wyniku istnienia naprężeń wewnętrznych w temperaturze pokojowej, dlatego jakość folii jest kluczem do powodzenia późniejszej powłoki. Ogólnie rzecz biorąc, aby uzyskać efektywną kombinację obu, konieczne jest zmniejszenie naprężeń wewnętrznych pomiędzy fazami AlN i Al2O3 poprzez maksymalne zmniejszenie grubości warstwy, przy założeniu zapewnienia gęstości warstwy tlenku. Jing Min i in. [23] przeprowadzili systematyczne badania procesu DBC i uzyskali podłoże ceramiczne DBC o wytrzymałości na odrywanie powyżej 6,5 N/mm i przewodności cieplnej 11,86 W/ (m·K) poprzez szorstkowanie powierzchni ceramicznej stopionym NaOH. Xie Jianjun i in. [24] przygotowali kompozytowe ceramiczne materiały podłoża Cu/Al2O3 i Cu/AlN w technologii DBC. Siła wiązania folii miedzianej z podłożem ceramicznym AlN przekraczała 8,00N/mm, a pomiędzy folią miedzianą a ceramiką AlN występowała warstwa przejściowa o grubości około 2µm. Jego składnikami są głównie związki Al2O3, CuAlO2 i Cu2O, a siła wiązania międzyfazowego Cu/AlN wzrasta stopniowo wraz ze wzrostem temperatury wiązania. AKara-Slimane i in. [25] wykorzystali proces DBC do przygotowania podłoża ceramicznego z azotku glinu w warunkach próżniowych, gdy temperatura wynosiła 1000℃, ciśnienie 4-12 MPa, a wytrzymałość na odrywanie sięgała 32 MPa.
Folia miedziana ma dobrą przewodność elektryczną i cieplną, a tlenek glinu ma nie tylko dobrą przewodność cieplną, mocną izolację, wysoką niezawodność, ale także może skutecznie kontrolować rozszerzanie się kompleksu CuAl2O3-Cu, dzięki czemu podłoże ceramiczne DBC ma podobny współczynnik rozszerzalności cieplnej tlenku glinu. Jest szeroko stosowany w zarządzaniu temperaturą pakietów IGBT, LD i CPV. Ponieważ prasowane na gorąco folie miedziane DBC są na ogół grubsze, w zakresie od 100 do 600 μm, mają dużą obciążalność prądową i mają oczywiste zalety w dziedzinie opakowań IGBT i LD [26].
Chociaż DBC ma wiele zalet w praktycznych zastosowaniach inżynieryjnych, ma również następujące wady: (1) proces DBC wymaga wprowadzenia pierwiastków tlenowych w warunkach wysokiej temperatury, aby wywołać reakcję eutektyczną Cu i Al2O3, co wymaga wysokiego sprzętu i kontroli procesu, a koszt produkcji substratu jest wysoki; (2) Pomiędzy warstwami Al2O3 i Cu łatwo powstają mikropory, co wpływa na odporność podłoża na szok termiczny; (3) Grubość folii miedzianej klejonej powierzchniowo DBC wynosi na ogół ponad 100 μm, a minimalna szerokość linii wzoru powierzchniowego jest na ogół większa niż 100 μm, co nie nadaje się do wytwarzania cienkich linii.
Metoda bezpośredniego powlekania aluminium polega na zastosowaniu aluminium w stanie ciekłym, a ceramika ma dobrą zwilżalność, aby osiągnąć zastosowanie obu. Gdy temperatura wzrasta powyżej 660 ℃, stałe aluminium ulega upłynnieniu, gdy ciekłe aluminium zwilża powierzchnię ceramiczną, wraz ze spadkiem temperatury aluminium bezpośrednio na powierzchni ceramicznej zapewnia wzrost krystalizacji jądra kryształu, schładzanie do temperatury pokojowej w celu uzyskania połączenia obu. Ponieważ aluminium jest bardziej aktywne, łatwo utlenia się warstwę Al2O3 w warunkach wysokiej temperatury i występuje na powierzchni ciekłego aluminium, co znacznie zmniejsza zwilżalność ciekłego aluminium na powierzchni ceramicznej, co utrudnia osiągnięcie aplikacji, dlatego należy ją usunąć przed aplikacją lub aplikacją w warunkach beztlenowych. Peng Rong i in. [23,27] przyjęli metodę odlewania ciśnieniowego grafitu w celu nałożenia czystego ciekłego aluminium na powierzchnię podłoża Al2O3 i podłoża AlN pod ciśnieniem, a folia Al2O3 pozostawała we wnęce formy z powodu braku płynności. Po ochłodzeniu podłoże DAB przygotowano z powłoką dźwiękową.
Ponieważ zwilżalność ciekłego aluminium na powierzchni ceramicznej jest kluczem do sukcesu lub porażki DAB, uczeni w kraju i za granicą przeprowadzili wiele prac badawczych nad zwilżalnością. Kiedy KaraSlimane[25] stosował aluminium jako warstwę pośrednią do łączenia Al N/Al/Fe, wskazał, że podczas procesu powlekania należy zastosować pewne ciśnienie, aby rozbić warstwę Al2O3 pojawiającą się na powierzchni ciekłego aluminium, aby uzyskać skuteczną powłokę aluminium azotkiem glinu i żelazem. Powyższe rozważania dotyczą powłoki fizycznej, to znaczy, że na styku aluminium/ceramika nie zachodzi żadna reakcja chemiczna, więc siła wiązania pomiędzy aluminium i ceramiką zależy od współpracy zamka mechanicznego spowodowanej wzrostem chropowatości między nimi, a siła wiązania jest stosunkowo mała w porównaniu z DBC. Jednakże połączenie tych dwóch faz nie powoduje generacji drugiej fazy i ma tę zaletę, że w porównaniu z DBC ma niskie naprężenie na granicy faz i wysoką przewodność cieplną na granicy faz. Przed powlekaniem aluminium bardzo kluczowym elementem procesu jest obróbka powierzchni ceramiki w celu zwiększenia wytrzymałości powłoki.
Imai [28] stwierdził, że chropowatość powierzchni podłoża ceramicznego w ogromnym stopniu wpływa na wydajność powłoki, a utrzymanie pewnej chropowatości jest warunkiem koniecznym poprawy wytrzymałości powłoki. Dlatego kluczem do poprawy siły wiązania pomiędzy aluminium i ceramiką jest sposób obróbki podłoża ceramicznego, aby zmienić jego chropowatość. Lin i in. [29] badali temperaturę wiązania i właściwości Al2O3/Al/Al2O3 i przygotowali podłoże DAB o wysokiej sile wiązania i przewodności cieplnej wynoszącej 32 W/ (m·K) w temperaturze 1100℃. Jing Min i in. [23] najpierw utworzyli stabilną fazę Cu Al2O4 poprzez spiekanie Cu2O na podłożu Al2O3, a następnie na powierzchni podłoża utworzono warstwę miedzi w wyniku redukcji H2 w temperaturze 1 000℃. Na koniec kontakt tlenu z metalicznym aluminium został odizolowany za pomocą aktywnego metalu magnezowego i ochrony tonera w środowisku próżniowym. Podłoże ceramiczne DAB o sile wiązania Al/Al2O3 do 11,9 MPa przygotowano metodą powlekania eutektycznego w temperaturze 760℃.
Podłoże ceramiczne DAB ma dobrą stabilność termiczną, masę można zmniejszyć o 44% w porównaniu z DBC o tej samej strukturze, zdolność łączenia drutu aluminiowego jest dobra, naprężenie termiczne pomiędzy aluminium/ceramiką jest stosunkowo małe i szybko rozwinęło się w ostatnich latach. Podłoże Al2O3-DAB i podłoże AlN-DAB mają doskonałe właściwości przewodności cieplnej, dobrą odporność na zmęczenie w wyniku szoku termicznego, doskonałą stabilność termiczną, niewielką masę konstrukcyjną i dobrą zdolność wiązania drutu aluminiowego. Moduł urządzenia zasilającego oparty na podłożu DAB został z sukcesem zastosowany w japońskim przemyśle samochodowym. Obecnie prowadzonych jest wiele prac badawczych nad technologią DAB w kraju i za granicą, jednak badania nad szczegółami styku aluminium/ceramika nie są wystarczająco głębokie [4]. Ze względu na rygorystyczne ograniczenia dotyczące zawartości tlenu, DAB ma wyższe wymagania dotyczące sprzętu i kontroli procesu, a koszt produkcji substratu jest wyższy. Grubość aluminium klejonego powierzchniowo wynosi na ogół ponad 100 μm, co nie nadaje się do wytwarzania cienkich linii, a zatem jego promocja i zastosowanie są ograniczone.
Metoda cienkowarstwowa to proces, w którym warstwa metalu formowana jest na powierzchni ceramicznej poprzez fizyczne osadzanie z fazy gazowej (odparowanie próżniowe, napylanie magnetronowe itp.), a następnie metalowa warstwa obwodowa jest tworzona poprzez maskowanie i trawienie. Wśród nich najpowszechniejszym procesem wytwarzania folii jest fizyczne osadzanie z fazy gazowej [30].
Fizyczne osadzanie z fazy gazowej polega na utworzeniu warstwy metalicznej folii o grubości 3–5 μm na powierzchni ceramicznej poprzez odparowanie lub napylanie katodowe jako warstwy przewodzącej podłoża ceramicznego. Siła wiązania na granicy faz jest technicznym wąskim gardłem podłoża DPC ze względu na awarię cykli termicznych warstwy miedzi i warstwy ceramicznej. Siła wiązania folii ceramicznej i metalowej, wydajność spawania folii metalowej i wiórów oraz przewodność samej folii metalowej to trzy ważne wskaźniki mierzące jakość folii. Siła wiązania pomiędzy folią metalową a azotkiem glinu określa praktyczność i niezawodność podłoża ceramicznego do procesu filmowego, podczas gdy na siłę wiązania wpływa siła van der Waalsa, siła wiązania chemicznego, przyczepność dyfuzyjna, blokowanie mechaniczne, przyciąganie elektrostatyczne i naprężenia wewnętrzne samej folii, wśród których głównymi czynnikami są przyczepność dyfuzyjna i siła wiązania chemicznego. Dlatego konieczne jest wybranie jako warstwy przejściowej Al, Cr, Ti, Ni, Cu i innych metali o wysokiej aktywności i dobrych właściwościach dyfuzyjnych. Warstwa przewodząca pełni funkcje połączenia elektrycznego i spawania, dlatego konieczne jest dobieranie materiałów metalowych takich jak Au, Cu i Ag o niskiej rezystywności, odporności na wysoką temperaturę, stabilnych właściwościach chemicznych i małym współczynniku dyfuzji [31]. Zhang Xuebin [32] badał proces przygotowania podłoża ceramicznego DPC, a wyniki wykazały, że siłę wiązania można poprawić stosując stop W/Ti jako warstwę przejściową. Gdy grubość warstwy przejściowej wynosiła 200 nm, siła wiązania przygotowanego cienkowarstwowego podłoża ceramicznego Al2O3 była większa niż 97,2N. Ponadto oprócz wytwarzania cienkich warstw metodą fizycznego osadzania z fazy gazowej niektórzy uczeni uzyskali cienkie warstwy miedzi na powierzchni ceramiki w drodze powlekania bezprądowego. Xue Shengjie i in. [13] z Uniwersytetu Chongqing zastosowali metodę powlekania bezprądowego w celu optymalizacji różnych parametrów procesu. Przygotowano cienkowarstwowe podłoże ceramiczne Al N o sile wiązania 18,45 N, przewodności 2,65×10^6 S/m, szybkości osadzania 0,026 g/ (s·cm2) i przewodności cieplnej 147,29 W/ (m·K).
W porównaniu z innymi metodami metalizacji powierzchni ceramicznych, proces DPC charakteryzuje się niską temperaturą roboczą, na ogół poniżej 300°C, co zmniejsza koszty procesu produkcyjnego i skutecznie pozwala uniknąć niekorzystnego wpływu wysokiej temperatury na materiał. Podłoże DPC wykorzystuje technologię Huang Guangying do produkcji obwodu graficznego, szerokość linii można kontrolować w zakresie 20 ~ 30 μm, płaskość powierzchni może osiągnąć 3 μm lub mniej, a błąd dokładności grafiki można kontrolować w zakresie ± 1%, co jest bardzo odpowiednie dla opakowań urządzeń elektronicznych o wysokich wymaganiach dotyczących dokładności obwodów. W szczególności górną i dolną powierzchnię podłoża ceramicznego można połączyć ze sobą po wycięciu otworów i wypełnieniu miedzią otworów w podłożu DPC za pomocą lasera, spełniając w ten sposób trójwymiarowe wymagania dotyczące pakowania urządzeń elektronicznych. DPC nie tylko zmniejsza objętość paczki, ale także skutecznie poprawia integrację paczki. Chociaż podłoże ceramiczne DPC ma powyższe zalety, ma również pewne wady, takie jak ograniczona grubość warstwy miedzi osadzonej galwanicznie, duże zanieczyszczenie cieczy odpadowej z galwanizacji, niska siła wiązania między warstwą metalu a ceramiką oraz niska niezawodność stosowania produktu.
Oprócz połączenia elektrycznego i funkcji rozpraszania ciepła, podłoże do rozpraszania ciepła w opakowaniu elektronicznym typu zasilania musi również mieć określoną izolację, odporność cieplną, odporność na ciśnienie i właściwości dopasowujące ciepło. Ponieważ podłoże ceramiczne ma doskonałą przewodność cieplną i właściwości izolacyjne, ma znaczące zalety w zastosowaniu do pakowania elementów energoelektronicznych i jest jednym z głównych kierunków rozwoju podłoża do chłodzenia opakowań energoelektronicznych w przyszłości [33]. Główne cechy podłoży ceramicznych procesowych LTCC, HTCC, TFC, DBC, DBA, DPC przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1 Główne cechy i porównanie wydajności różnych podłoży ceramicznych
Jak dotąd Cree, Osram, Philips i Nichia oraz inni czołowi międzynarodowi producenci oraz krajowi Jiangxi Jingrui, Yimei Xinguang, Hucheng Technology, Foshan Guoxing, Shenzhen Ruifeng, Guangzhou Hongli, Ningbo Shengpu i inne przedsiębiorstwa wprowadzili na rynek ceramiczne produkty energoelektroniczne. Obecnie, ze względu na możliwości techniczne, koszt produkcji podłoża ceramicznego jest nadal wysoki. Można jednak przewidzieć, że w miarę ciągłego eliminowania wąskich gardeł technicznych i ciągłego doskonalenia integracji opakowań, akceptacja rynkowa podłoży ceramicznych będzie coraz większa, a produkty energoelektroniczne wykorzystujące ceramikę jako podłoża opakowaniowe będą coraz bogatsze.
Podłoże ceramiczne ma niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, dobrą przewodność cieplną i właściwości izolacyjne i zostało uznane za najbardziej obiecujący materiał podłoża rozpraszający ciepło w branży. W niektórych przypadkach stopniowo zastępuje podłoże metalowe i staje się preferowanym rozwiązaniem w zakresie zarządzania ciepłem w celu rozpraszania ciepła elementów elektronicznych dużej mocy [34].
Jak wspomniano powyżej, technologia produkcji podłoża ceramicznego stosowana obecnie do pakowania podzespołów elektronicznych dużej mocy obejmuje łącznie sześć rodzajów HTCC, LTCC, TFC, DBC, DAB, DPC, z których proszek metalowy w procesie HTCC składa się głównie z wolframu, molibdenu, manganu i innych metali o wysokiej temperaturze topnienia, ale słabej przewodności elektrycznej, a jego koszt produkcji jest wysoki, więc jest generalnie mniej używany. Proces LTCC ze względu na dodatek niskiej przewodności cieplnej materiałów szklanych do zawiesiny, jego przewodność cieplna wynosi tylko 2~3 W/(m·K), w porównaniu ze zwykłymi MCPCB zalety nie są oczywiste. Jednocześnie grafiki liniowe HTCC i LTCC są wykonane w technologii grubowarstwowej (TFC), która ma wady w postaci chropowatej powierzchni i niedokładnego wyrównania. Dodatkowo w procesie spiekania występuje również problem nierównomiernego skurczu surowego wlewka ceramicznego, co powoduje, że rozdzielczość procesu ceramiki współwypalanej jest w pewnym stopniu ograniczona, a popularyzacja i zastosowanie również stoją przed dużymi wyzwaniami.
Ze względu na słabą zwilżalność miedzi w fazie ciekłej na powierzchni ceramicznej w procesie DBC, pierwiastki tlenowe muszą być wprowadzane w warunkach wysokiej temperatury, aby uzyskać powłokę z folii miedzianej i ceramiki matrycowej, a na powierzchni styku łatwo powstają mikropory, które mają wysokie wymagania sprzętowe i techniczne i nadal są przedmiotem badań badaczy krajowych i zagranicznych. Aluminium w procesie DAB łatwo ulega utlenieniu w wysokiej temperaturze, co będzie miało wpływ na zwilżalność ciekłego aluminium na powierzchni ceramicznej, a aplikację należy przeprowadzać w warunkach beztlenowych, dlatego wymagania dotyczące sprzętu i technologii są również stosunkowo surowe, a obecnie nie zrealizowano industrializacji na dużą skalę. Obecnie zachodnie kraje rozwinięte, Japonia, Korea Południowa mają technologię DBC i DAB oraz przewagę rynkową. Niektóre instytucje naukowo-badawcze w Chinach również przeprowadziły pewne prace badawcze nad DBC i DAB i dokonały pewnych przełomów technicznych, ale nadal istnieje pewna luka w porównaniu z międzynarodowym poziomem zaawansowanym, produkty są stosowane głównie w IGBT (dioda bipolarna z izolowaną bramką) i LD (dioda laserowa) i innych opakowaniach urządzeń zasilających. Ze względu na grubą warstwę przewodzącą DBC i DAB zalety obu substratów zastosowanych na opakowaniach LED nie są oczywiste.
Proces DPC rozwiązuje problem słabej zwilżalności folii miedzianej na powierzchni ceramicznej poprzez wprowadzenie metalu warstwy przejściowej na powierzchnię ceramiczną i skutecznie realizuje metalizację powierzchni ceramicznej przy założeniu zapewnienia siły wiązania pomiędzy warstwą przewodzącą a podłożem ceramicznym. Podłoże ceramiczne DPC ma nie tylko doskonałą przewodność elektryczną, ale także wysoką dokładność linii i gładkość powierzchni, co jest bardzo odpowiednie do okładzin LED i opakowań LED z procesu eutektycznego, a także osiągnęło industrializację pod względem skali produkcji i jest obecnie najbardziej w stanie zaspokoić potrzeby diod LED o dużej mocy, wysokiej gęstości światła i małych rozmiarach kierunku rozwoju podłoża chłodzącego opakowania ceramiczne. Obecnie region Tajwanu w Chinach zajmuje pozycję monopolisty w technologii rdzeni DPC, odpowiadając za 80% udziału w światowym rynku produktów i jest głównym dostawcą ceramicznych podłoży chłodzących dla gigantów branży oświetleniowej półprzewodników, takich jak Cree, Lumileds i Osram w Niemczech. Obecnie, wraz z ciągłym wzrostem wysiłków badawczo-rozwojowych, technologia podłoża DPC na kontynencie dokonała również przełomu, który może w pewnym stopniu zaspokoić potrzeby opakowań LED o dużej mocy w zakresie rozpraszania ciepła.
W kontekście ciągłego przełomu wąskiego gardła technologii procesu produkcyjnego, kruchość podłoża ceramicznego jest bezspornym faktem, jak wykorzystać jego doskonałą przewodność cieplną, aby zapewnić rozwiązania w zakresie zarządzania rozpraszaniem ciepła dla szybko rozwijającego się przemysłu LED i uniknąć pęknięć spowodowanych nadmierną kruchością w procesie produkcji i użytkowania, jest także problemem praktycznym, którego nie można zignorować. Lejian Technology (Zhuhai) Co., Ltd. wykorzystuje cięcie laserowe lub cięcie tarczą szlifierską do cięcia dużych kawałków ceramiki na kilka małych kawałków i selektywnie wszczepianych w strukturę FR4, stosując proces prasowania w celu połączenia ceramiki i FR4 razem w celu utworzenia kompozytowej struktury rozpraszającej ciepło. Wśród nich ceramika działa jako kanał rozpraszania ciepła chipa, dzięki czemu ciepło wytwarzane przez elementy elektroniczne podczas procesu roboczego może być szybko rozproszone do świata zewnętrznego wzdłuż ceramiki, aby uniknąć niezawodności elementów spowodowanej słabym rozpraszaniem ciepła, co skutkuje ryzykiem przedwczesnej awarii, jak pokazano na rys. 1 i ryc. 2. Taka konstrukcja nie tylko zachowuje funkcję rozpraszania ciepła ceramiki, ale także rozwiązuje problem kruchej ceramiki. Jednocześnie obróbkę można przeprowadzić na FR4, co znacznie zmniejsza wysokie koszty cięcia czystej ceramiki. Obecnie tego rodzaju kompozytowy materiał podłoża został zastosowany na pewną skalę w dziedzinie diod LED dużej mocy i IGBT.
Rozpraszanie ciepła jest kluczowym problemem technicznym w rozwoju elementów energoelektronicznych. Ze względu na dużą moc, mały rozmiar i lekkość stały się przyszłym trendem rozwojowym w zakresie opakowań podzespołów energoelektronicznych, podłoże ceramiczne oprócz doskonałych właściwości przewodności cieplnej, ale ma również dobrą izolację, odporność cieplną, odporność na ciśnienie i dobre dopasowanie termiczne z chipem, stało się pierwszym wyborem w przypadku rozpraszania ciepła w opakowaniach podzespołów elektronicznych mocy średniej i wysokiej klasy. Proces metalizacji powierzchni podłoża ceramicznego jest ważnym ogniwem umożliwiającym wykorzystanie ceramiki w pakowaniu elementów energoelektronicznych. Metoda metalizacji określa wydajność, koszt produkcji, wydajność produktu i zakres zastosowań podłoża ceramicznego.
1. Do czego służą podłoża ceramiczne?
Podłoża ceramiczne, charakteryzujące się doskonałą przewodnością cieplną i właściwościami izolacyjnymi, stosowane są głównie jako rozpraszające ciepło podłoża opakowaniowe dla podzespołów elektronicznych dużej mocy, diod LED, IGBT i diod laserowych (LD), pełniąc funkcje połączenia elektrycznego, podparcia mechanicznego i przenoszenia ciepła.
2. Czy podłoża ceramiczne można metalizować powierzchniowo?
Tak. Metalizacja powierzchni jest warunkiem wstępnym inżynierskiego zastosowania podłoży ceramicznych. Główne procesy obejmują metodę współspalania (HTCC/LTCC), metodę grubowarstwową (TFC), miedź wiązaną bezpośrednio (DBC), aluminium wiązaną bezpośrednio (DAB), miedź bezpośrednio platerowaną (DPC) itp. Warstwa metalu zapewnia przewodność elektryczną i lutowność ceramiki.
3.Jaki jest aktualny stan badań metalizacji powierzchniowej podłoży ceramicznych?
Obecne badania skupiają się na poprawie siły wiązania metal-ceramika i rozwiązywaniu problemów zwilżania powierzchni stykowych, a także optymalizacji parametrów dla różnych procesów. Zagraniczne kraje mają przewagę w technologiach DBC i DAB; Region Tajwanu w Chinach monopolizuje podstawową technologię DPC, a przełomy technologiczne osiągnięto także na kontynencie chińskim.
4.Jakie są trendy rozwojowe w metalizacji powierzchniowej podłoży ceramicznych?
Trendy obejmują udoskonalanie (DPC dla opakowań o wysokiej precyzji), redukcję kosztów oraz badania i rozwój podłoży kompozytowych. Tymczasem przełamanie barier procesowych DBC/DAB będzie sprzyjać zastosowaniu na dużą skalę podłoży ceramicznych w dziedzinie diod LED dużej mocy i IGBT.
5. W jaki sposób metalizacja powierzchniowa podłoży ceramicznych może wpłynąć na wydajność produktu?
Metalizacja powierzchni bezpośrednio determinuje siłę wiązania metal-ceramika, co z kolei wpływa na efektywność odprowadzania ciepła, niezawodność i żywotność elementów elektronicznych. Ponadto precyzja procesu determinuje precyzję obwodu, spełniając wymagania precyzyjnych opakowań trójwymiarowych.
Jeśli potrzebujesz więcej informacji, skontaktuj się z nami w każdej chwili.
