Status badań i trend rozwoju metalizacji powierzchniowych podłożów ceramicznych

Streszczenie: Podłoże rozpraszania ciepła jest ważnym kanałem rozpraszania ciepła komponentów elektronicznych o dużej mocy, a jego przewodność cieplna wpłynie bezpośrednio na niezawodność i żywotność elektronicznych elementów typu mocy. Niniejszy artykuł szczegółowo przedstawia schemat techniczny i status rozwoju metalizacji powierzchniowej ceramiki jako materiału podłoża o wysokiej przewodności cieplnej, wskazuje kluczowe trudności techniczne różnych schematów metalizacji, porównuje i analizuje cechy i różnice wydajności różnych ceramicznych Opakowanie podłoża ciepła i przewiduje na tej podstawie trend rozwojowy ceramicznych substratów.

0. Wprowadzenie z ciągłym postępem technologii elektronicznej, problem rozpraszania ciepła stopniowo stał się wąskim gardłem ograniczającym rozwój elektronicznych produktów elektrycznych w kierunku dużej mocy i światła. Ciągłe gromadzenie ciepła w elektronicznych elementach mocy stopniowo zwiększa temperaturę połączenia wiórowego i spowoduje naprężenie termiczne, co spowoduje szereg problemów z niezawodnością, takimi jak zmniejszona żywotność i zmiany temperatury kolorów. W zastosowaniu opakowania elektronicznych komponentów typu mocy substrat chłodzący nie tylko zakłada funkcje połączenia elektrycznego i wspornika mechanicznego, ale także ważny kanał do transmisji ciepła. W przypadku elektronicznych urządzeń elektronicznych podłoże opakowaniowe powinno mieć wysoką przewodność cieplną, izolację i odporność na ciepło, a także wysoką wytrzymałość i współczynnik rozszerzania cieplnego pasujące do układu.

Obecnie wspólnym substratem rozpraszania ciepła na rynku jest głównie metalowy podłoże (MCPCB) i podłoże ceramiczne. Ze względu na wyjątkowo niską przewodność cieplną warstwy izolacyjnej, MCPCB staje się coraz trudniejsze do dostosowania do wymagań rozwojowych elementów elektronicznych typu mocy. Podłoże ceramiczne jako powstały materiał rozpraszania ciepła, jego kompleksowa wydajność, taka jak przewodność cieplna i izolacja, jest niezrównana przez zwykłe MCPCB, a metalizacja powierzchni ceramicznego podłoża jest ważnym warunkiem określenia jego praktycznego zastosowania.

W tym artykule szczegółowo wprowadzono status technologii i badań ceramicznej metalizacji powierzchni podłoża, a opisano zasadę różnych schematów metalizacji, a wskazane są kluczowe techniczne punkty kontrolne każdego schematu, w celu zapewnienia technicznego odniesienia do odniesienia dla Wybór podłoża opakowania Ceramicznego typu mocy LED.

1. Status badawczy metalizacji powierzchni ceramicznej

Po spiekaniu powierzchnię ceramicznego podłoża musi zostać metalizowana, a następnie wzór powierzchni jest wytwarzany przez transfer obrazu, aby osiągnąć wydajność połączenia elektrycznego ceramicznego podłoża. Metalizacja powierzchniowa jest kluczową częścią wytwarzania substratów ceramicznych, ponieważ zdolność zwilżania metalu w wysokich temperaturach na powierzchni ceramicznej określa siłę wiązania między metalem a ceramiczną, a dobra siła wiązania jest ważną gwarancją stabilności stabilności wydajności opakowania LED.

Dlatego sposób wdrożenia metalizacji na powierzchniach ceramicznych i poprawa siły wiązania między nimi stała się przedmiotem wielu naukowców i technologicznych [4,5,6]. Obecnie wspólne metody metalizacyjne na powierzchniach ceramicznych można z grubsza podzielić na kilka form, takie jak metoda korekcji (HTCC i LTCC), metoda grubej filmu (TFC), bezpośrednie zastosowanie metody miedzi (DBC), bezpośrednie zastosowanie aluminium Metoda (DBA) i metoda cienkiego filmu (DPC) [7,8].

1.1 Metoda współrzędnego (HTCC/LTCC)

W ostatnich latach wspólnie opalone wielowarstwowe podłoża ceramiczne zyskały szeroką uwagę, ponieważ mogą spełniać wiele wymagań zintegrowanych obwodów poprzez osadzanie pasywnych komponentów, takich jak linie sygnałowe i mikrowizny w podłożach przy użyciu grubej technologii folii [9].

Istnieją dwa rodzaje metody współczesności, jedna to współrzędna w wysokiej temperaturze (HTCC), a drugi to współfiring o niskiej temperaturze (LTCC). Przepływ procesu tych dwóch jest zasadniczo taki sam. Głównym procesem produkcyjnym jest przygotowanie zawiesiny, pasek odlewniczy, suszący zielony pusty, wiercenie przez otwór, otwór do drukowania ekranu, linia drukowania ekranu, laminowane spiekanie i końcowe krojenie oraz inne procesy po leczeniu. Alumina w proszku i klej organiczny są mieszane, aby utworzyć zawiesinę, a następnie zawiesinę przetwarzana jest w arkusze za pomocą skrobaka. Po wysuszeniu powstaje ceramiczny zielony kęs [10]. Następnie otwory pilotażowe są przetwarzane na zielonym kęsie zgodnie z wymaganiami projektowymi i napełniany jest metalowy proszek. Wreszcie każda warstwa zielonego kęsa jest laminowana, spiekana i uformowana w piecu współalącym. Chociaż proces dwóch metod współczesności jest mniej więcej taki sam, temperatura spiekania jest bardzo różna. Temperatura współalania HTCC wynosi 1300 ~ 1600 ℃, podczas gdy temperatura spiekania LTCC wynosi 850 ~ 900 ℃. Głównym powodem tej różnicy jest dodanie zawiesiny spiekania LTCC w celu zmniejszenia temperatury spiekania materiału szklanego, który nie znajduje się w zawiesinie HTCC. Chociaż materiał szklany może zmniejszyć temperaturę spiekania, przewodność cieplną podłoża można znacznie zmniejszyć [11,12,13].

Współprzewodzony podłoże ceramiczne ma znaczące zalety w zwiększaniu gęstości montażu, skracaniu długości połączeń, zmniejszaniu opóźnienia sygnału, zmniejszaniu objętości i poprawie niezawodności. Najczęstszym zastosowaniem podłoża spółki jest zakopanie różnych urządzeń pasywnych w spiekaniu pasty ceramicznej, aby wykonać trójwymiarowe zintegrowane i nie interferencyjne obwód o wysokiej gęstości, montowanie ic i aktywne urządzenia na jego powierzchni, uczynić udane zintegrowane Moduł, dodatkowo zmniejsz strukturę obwodu, popraw gęstość integracji, szczególnie odpowiedni dla komponentów komunikacyjnych o wysokiej częstotliwości [13]. Ponieważ jednak HTCC i LTCC używają drukowania ekranu do zakończenia produkcji graficznej, dokładność wymiarowa i chropowatość grafiki ma duży wpływ proces drukowania. Jednocześnie proces laminowania jest również łatwy do powodowania, że ​​dostosowanie grafiki nie jest dokładne, co powoduje nadmierną akumulację tolerancji. Ponadto zielony kęs jest podatny na niespójne skurcze podczas procesu spiekania, co w dużej mierze ogranicza zastosowanie procesu współalania [14,15].

Metoda ceramiczna o grubej folii (TFC)

Metoda grubego filmu odnosi się do metody drukowania ekranu, pasta przewodząca jest bezpośrednio pokryta matrycą ceramiczną, a następnie spiekana w wysokiej temperaturze, aby warstwa metalowa mocno przymocowana do macierzy ceramicznej. Wybór gęstej pasty przewodnika foliowego jest kluczowym czynnikiem określania grubego procesu warstwa, który składa się z fazy funkcjonalnej (tj. Poszukiwania metalu o wielkości cząstek mniejszych niż 2 μm), fazę wiązania (spoiwa) i nośnika organicznego. Wspólne proszki metalowe obejmują AU, PT, AU/PT, AU/PD, AG, AG/PT, AG/PD, CU, NI, AL i W, wśród których zawiesina Ag, Ag/Pd i Cu jest większość [16] . Spoiwo jest na ogół materiałem szklanym lub tlenkiem metalu lub mieszaniną tych dwóch, a jego rolą jest podłączenie ceramiki i metalu oraz określenie przyczepności grubej zawiesiny warstwy z ceramiką macierzy, która jest kluczem do produkcji grubej Film zawiesia. Funkcją nośnika organicznego jest głównie rozproszenie fazy funkcjonalnej i wiązania fazy, a jednocześnie utrzymanie pewnej lepkości grubej zawiesiny folii, aby przygotować się do kolejnego drukowania ekranu, który stopniowo odparowuje podczas procesu spiekania [ 17].

Obecnie badania nad pasty elektronicznej grubej tlenku glinu stały się dojrzałe, podczas gdy pasta elektroniczna gęstej azotku aluminiowego nadal ma duże miejsce na rozwój, co jest spowodowane niezadowalającą zwilżoną ilością większości metali do ceramiki azotku aluminiowego [17]. Aby poprawić siłę wiązania między ceramiką azotku metalu i aluminium w procesie produkcji grubej folii, istnieją dwie powszechne metody. Jednym z nich jest użycie materiału szklanego jako fazy wiązania, aby warstwa metalowa i warstwa ALN osiągnęła wiązanie mechaniczne; Drugim jest dodanie substancji, która może reagować z ALN jako fazą wiązania, i osiągnięcie wiązania chemicznego poprzez reakcję z ALN. Obecnie głównym składem większości szklanych układów wiązania aluminium zawiesiny azotku jest SiO2-B2O3, co jest tym, że szkło krzemianowe i szklane boranowe mają dobry wpływ na zwilżanie azotku i aluminium. Ponadto punkt zmiękczenia szkła boranowego jest niski, co może poprawić szybkość strzelania i zwiększyć gęstość po spiekaniu. Jednak niski punkt zmiękczania boranu również zmięknie przed osiągnięciem temperatury spiekania metalizacji, dzięki czemu warstwa metalowa nie może utworzyć efektywnej sieci sieciowej z ceramiką azotku aluminiowego. Dodanie krzemianu może skutecznie rozwiązać ten problem. Jednocześnie wydajność fazy szklanej można dodatkowo poprawić, dodając do fazy szklanej odpowiedniej ilości metalu alkalicznego i alkalicznego metalu ziemskiego, ponieważ metal alkaliczny lub alkaliczny może różnicować szkło i zmniejszyć lepkość szkła. Zasadniczo, wraz ze wzrostem ilości alkalicznego lub alkalicznego metalu ziemskiego, lepkość zostanie znacznie zmniejszona, co sprzyja poprawie płynności zawiesiny i przyspieszeniu metalizacji i spiekania. Powszechnie stosowane metale alkaliczne lub alkaliczne obejmują LI2O, Na2O, K2O, BAO i PDO itp. [18,19]. Ponadto można dodać niektóre substancje, które mogą reagować z azotkiem aluminiowym z tworzeniem nowych faz, takie jak Cr2O3, PDO, ZnO itp., A siła wiązania reakcji utworzona przez nową fazę można zastosować do poprawy wytrzymałości adhezji w stosunku zawiesina po metalizacji. Zwrócono uwagę, że niektóre alkaliczne tlenki metalu ziemskiego krzemu i boru, a także tlenki cyrkonu, żelaza, ołowiu i fosforu, mogą reagować z ALN, tworząc nowe substancje [20,21]. Na przykład zastosowanie fazy wiązania Zrb2, ze względu na powstawanie nowej fazy Al2O3 · B2O3 (Boral Spinel) podczas procesu reakcji, siła wiązania między metalizowaną warstwą a ceramiką azotku aluminium może być tak wysoka jak 24MPa i ZRO2 wygenerowany podczas procesu reakcji może również przyspieszyć utlenianie ALN, promując w ten sposób reakcję.

Grubość warstwy metalowej po spiekaniu TFC wynosi na ogół 10 ~ 20 μm, a minimalna szerokość linii wynosi 0,1 mm. Ze względu na dojrzałą technologię, prosty proces i niski koszt, TFC został wykorzystany w opakowaniu LED o niskich wymaganiach dotyczących dokładności graficznej. Jednocześnie TFC ma pewne wady, takie jak niska dokładność graficzna (błąd wynosi ± 10%), na stabilność powłoki ma łatwo wpływać jednolitość zawiesiny, słabość linii (powyżej 3 μm) i adhezja nie jest łatwa do kontrolowania, więc jego zakres aplikacji zakres aplikacji jest ograniczony.

1.3 Metoda Bezpośredniej Miedzi Bonded (DBC)

DBC jest metodą wiązania folii miedzianej na powierzchni ceramicznej (głównie AL2O3 i ALN), która jest nowym procesem opracowanym wraz z technologią pakowania Rise of Chip na pokładzie (COB). Podstawową zasadą jest wprowadzenie tlenu między Cu i ceramiczną, a następnie utworzenie eutektycznej fazy ciekłej Cu/O przy 1065 ~ 1083 ℃, a następnie reagowanie z matrycą ceramiczną i folią miedzi w celu utworzenia Cualo2 lub Cu (ALO2) 2 i uświadomić sobie wiązanie wiązania między folią miedzi a matrycą pod działaniem fazy pośredniej. Ponieważ Al N jest ceramiką nietlenkową, kluczem do powlekania miedzi na jej powierzchni jest utworzenie warstwy przejściowej AL2O3 na jej powierzchni i realizacja skutecznego wiązania między folią miedzi i ceramiką macierzy pod działaniem warstwy przejściowej [22].

Wprowadzenie tlenu jest bardzo krytycznym krokiem w procesie DBC. Czas utleniania i temperatura utleniania są dwoma najważniejszymi parametrami w tym procesie, które mają bardzo ważny wpływ na siłę wiązania między ceramiką a folią miedzi po wiązaniu. Gdy czas utleniania i temperatura utleniania są ustalone, macierz Al2O3 bez obróbki przed utlenieniem w procesie wiązania z folią miedzi, ponieważ tlen jest trudny do przenikania do interfejsu folii miedzianej i substratu ceramicznego, faza ciekła Cu/O ma ma fazę ciekłą Słaba zwilżona na podłożu, a na koniec duża liczba otworów i wad pozostanie na interfejsie. Po wstępnej utlenionej matrycy wystarczające zasilanie tlenu można podać w tym samym czasie co powłoka, więc faza ciekła Cu/O ma dobrą zwilżalność matrycy ceramicznej i folii miedzi, wnęki międzyfazowe i defekty są znacznie zmniejszone i Siła wiązania między folią miedzi a matrycą jest również bardziej twarda. W przypadku ALN, ponieważ ALN jest silnym związkiem wiązania kowalencyjnego, zwilżalność fazy ciekłej Cu/O jest słaba. Gdy na jej powierzchni nakłada się miedź DBC, zwilżalność fazy ciekłej Cu/O w matrycy ceramicznej musi zostać wzmocniona przez modyfikację powierzchni, aby zapewnić siłę wiązania folii miedzi i macierzy. Obecnie ogólną praktyką jest zastosowanie przedutleniania w celu utworzenia pewnej grubości, jednolitej dyspersji i gęstej struktury filmu Al2O3 na powierzchni ALN. Ze względu na niedopasowanie między współczynnikiem rozszerzalności cieplnej folii tlenku glinu a aluminiową macierzą nituse, siła wiązania dwupokładowego interfejsu może się pogorszyć z powodu istnienia naprężenia wewnętrznego w temperaturze pokojowej, więc jakość filmu jest kluczem do sukcesu późniejszej powłoki. Zasadniczo, aby osiągnąć skuteczną kombinację tych dwóch, konieczne jest zmniejszenie naprężeń wewnętrznych między fazami ALN i Al2O3 poprzez jak najwięcej zmniejszenia grubości filmu . Jing Min i in. [23] przeprowadził systematyczne badanie procesu DBC i uzyskał podłoże ceramiczne DBC o sile skórki powyżej 6,5N / mm i przewodności cieplnej 11,86 W / (m · k) przez szorstowanie powierzchni ceramicznej stopioną NaOH. Xie Jianjun i in. [24] przygotował Cu/Al2O3 i Cu/ALN kompozytowe materiały podłoża z technologią DBC. Wytrzymałość wiązania między folią miedzi a ceramicznym podłożem ALN przekroczyła 8,00 n /mm, a była warstwa przejściowa o grubości około 2 μm między folią miedzi i ceramiczną ALN. Jego składnikami są głównie związki AL2O3, CUALO2 i CU2O, a międzyfazowa siła wiązania Cu/ALN wzrasta stopniowo wraz ze wzrostem temperatury wiązania. Akara-Slimane i in. [25] zastosowali proces DBC do przygotowania substratu ceramicznego azotku glinu w warunkach próżniowych, gdy temperatura wynosiła 1000 ℃, a ciśnienie wynosiło 4-12 MPa, a wytrzymałość obierania wynosiła nawet 32 ​​MPa.

Folia miedzi ma dobrą przewodność elektryczną i cieplną, a tlenk glinu ma nie tylko dobrą przewodność cieplną, silną izolację, wysoką niezawodność, ale także może skutecznie kontrolować rozszerzenie kompleksu Cual2O3-CU, dzięki czemu podłoże ceramiczne DBC ma podobny współczynnik rozszerzania cieplnego glinu . Był szeroko stosowany w pakiecie zarządzania termicznym IGBT, LD i CPV. Ponieważ wiązane folii miedzi DBC są ogólnie grubsze, od 100 do 600 μm, mają silną zdolność do przenoszenia prądu i mają oczywiste zalety w dziedzinie opakowania IGBT i LD [26].

Chociaż DBC ma wiele zalet w praktycznym zastosowaniu inżynieryjnym, ma również następujące niedociągnięcia: (1) Proces DBC wymaga wprowadzenia elementów tlenu w warunkach wysokiej temperatury, aby wykonać reakcję eutektyczną Cu i Al2O3, która wymaga wysokiej kontroli sprzętu i procesu oraz Koszt produkcji podłoża jest wysoki; (2) mikroprzeporniki są łatwo generowane między warstwami AL2O3 i Cu, a wpłynie to na odporność na wstrząsy termiczne podłoża; (3) Grubość powierzchniowej folii miedzianej na powierzchni DBC jest ogólnie większa niż 100 μm, a minimalna szerokość linii wzoru powierzchni jest ogólnie większa niż 100 μm, co nie jest odpowiednie do produkcji drobnych linii.

1.4 Bezpośrednie aluminium (DAB)

Bezpośrednia metoda powlekania aluminium jest stosowanie aluminium w stanie ciekłym ceramiki, ma dobrą zwilżalność, aby osiągnąć zastosowanie tych dwóch. Gdy temperatura wzrośnie powyżej 660 ℃, aluminiowa stała skroplona, ​​gdy ciekła aluminium moka powierzchnię ceramiczną, wraz ze spadkiem temperatury, aluminium bezpośrednio na powierzchni ceramicznej zapewnianej przez wzrost krystalizacji jądra kryształowego, chłodząc do temperatury pokojowej, aby osiągnąć kombinację dwóch. Ponieważ aluminium jest bardziej aktywne, łatwo utleniać folię Al2O3 w warunkach wysokiej temperatury i istnieje na powierzchni ciekłego glinu, co znacznie zmniejsza zwilżalność ciekłego aluminium na powierzchni ceramicznej, co utrudnia osiągnięcie zastosowania, więc musi ona ona zostać usunięte przed zastosowaniem lub zastosowaniem w warunkach wolnych od tlenu. Peng Rong i in. [23,27] przyjął metodę odlewania matrycy grafitowej, aby położyć czyste ciekłe aluminium na powierzchni podłoża Al2O3 i substratu ALN przez ciśnienie, a folia Al2O3 pozostała w jamie formy z powodu braku płynności. Po chłodzeniu podłoże DAB przygotowano z powłoką dźwiękową.

Ponieważ zwilżalność płynnego aluminium na powierzchni ceramicznej jest kluczem do sukcesu lub porażki DAB, uczeni w kraju i za granicą przeprowadzili wiele prac badawczych na temat zwilżalności. Gdy Karaslimane [25] używał aluminium jako warstwy pośredniej do wiązania Al N/Al/Fe, wskazał, że podczas procesu powlekania należy zastosować pewne ciśnienie, aby przełamać warstwę AL2O3 pojawiającą się na powierzchni ciekłego aluminium, aby uświadomić sobie Efektywna powłoka aluminium z azotkiem aluminium i żelazem. Powyższe rozważanie to powłoka fizyczna, to znaczy nie ma reakcji chemicznej na interfejsie aluminium/ceramicznym, więc siła wiązania między aluminium a ceramiką zależy od mechanicznej współpracy blokującej spowodowaną wzrostem chropowatości między nimi, a wiązaniem wiązania Siła jest stosunkowo niewielka w porównaniu z DBC. Jednak połączenie między nimi nie ma generowania drugiego fazy i ma tę zaletę, że niskie naprężenie interfejsu i wysoka przewodność cieplna interfejsu w porównaniu z DBC. Przed powlekaniem aluminium obróbka ceramiki w celu zwiększenia siły powłoki jest bardzo kluczowym połączeniem procesowym.

Imai [28] stwierdził, że chropowatość powierzchni ceramicznego podłoża znacznie wpływa na wydajność powłoki, a utrzymanie pewnej chropowatości jest niezbędnym warunkiem poprawy siły powłoki. Dlatego, jak leczyć ceramiczne podłoże, aby zmienić jego szorstkość, jest kluczem do poprawy siły wiązania między aluminium a ceramiką. Lin i in. [29] badali temperaturę wiązania i właściwości Al2O3/Al/Al2O3 i przygotował substrat DAB o wysokiej wytrzymałości wiązania i przewodnictwu cieplnym 32 W/(M · K) przy 1100 ℃. Jing Min i in. [23] najpierw utworzył stabilną fazę Cu AL2O4 poprzez spiekanie Cu2O na podłożu Al2O3, a na powierzchni podłoża przez H2 utworzono warstwę miedziową przez redukcję H2 przy 1 000 ℃. Wreszcie, kontakt między tlenem a metalowym aluminium izolowano przez aktywne metalowe ochronę magnezu i tonera w środowisku próżniowym. Podłoż ceramiczny DAB z siłą wiązania Al/Al2O3 do 11,9 MPa przygotowano przez powłokę eutektyczną przy 760 ℃.

Podłoże ceramiczne DAB ma dobrą stabilność termiczną, masę można zmniejszyć o 44% w porównaniu z DBC o tej samej strukturze, zdolność wiązania drutu aluminiowego jest dobra, naprężenie termiczne między aluminium/ceramika jest stosunkowo niewielkie i rozwinęła się szybko w niedawnym miejscu w ostatnim lata. Podłoże AL2O3-DAB i podłoże ALN-DAB mają doskonałe charakterystykę przewodności cieplnej, dobrą odporność na zmęczenie wstrząsu cieplnego, doskonałą stabilność termiczną, lekką masę strukturalną i dobrą zdolność wiązania drutu aluminiowego. Moduł urządzenia zasilania oparty na podłożu DAB został z powodzeniem zastosowany w japońskim przemyśle motoryzacyjnym. Obecnie wykonano wiele prac badawczych na temat technologii DAB w kraju i za granicą, ale badania nad szczegółami interfejsu aluminium/ceramicznego nie są wystarczająco głębokie [4]. Ze względu na ścisłe ograniczenia zawartości tlenu DAB ma wyższe wymagania dotyczące kontroli sprzętu i procesu, a koszt produkcji podłoża jest wyższy. A grubość aluminium związanego z powierzchnią wynosi na ogół ponad 100 μm, co nie jest odpowiednie do produkcji drobnych linii, a zatem jego promocja i zastosowanie są ograniczone.

1,5 Metoda cienkiego warstwy (Direct PlATED Copper, DPC)

Metoda cienkiego warstwy to proces, w którym warstwa metalowa jest tworzona na powierzchni ceramicznej przez fizyczne osadzanie pary (parowanie próżniowe, rozpylanie magnetronowe itp.), A następnie warstwa obwodu metalowego jest tworzona przez maskę i trawienie. Wśród nich fizyczne osadzanie pary jest najczęstszym procesem produkcji folii [30].

Fizyczne osadzanie pary ma utworzenie warstwy 3 ~ 5 μm folii metalowej na powierzchni ceramicznej przez odparowanie lub rozpylanie jako przewodząca warstwa ceramicznego podłoża. Siła wiązania interfejsu jest technicznym wąskim gardłem podłoża DPC ze względu na awarię cyklu termicznego warstwy miedzi i warstwy ceramicznej. Siła wiązania folii ceramicznej i metalowej, wydajność spawania metalowego filmu i chipu oraz przewodność samej folii metalowej są trzema ważnymi wskaźnikami do pomiaru jakości filmu. Siła wiązania między folią metalową a azotkiem aluminium określa praktyczność i niezawodność podłoża ceramicznego procesu filmowego, podczas gdy siła wiązania ma wpływ siła van der Waalsa, siła wiązania chemicznego, adhezja dyfuzji, blokowanie mechaniczne, przyciąganie elektrostatyczne i naprężenie wewnętrzne z powodu Głównymi czynnikami są sam folia, wśród których adhezja dyfuzyjna i siła wiązania chemicznego. Dlatego konieczne jest wybranie Al, Cr, Ti, Ni, Cu i innych metali o wysokiej aktywności i dobrej wydajności dyfuzji jako warstwy przejściowej. Warstwa przewodzącego podejmuje funkcje połączenia elektrycznego i spawania, dlatego konieczne jest wybór materiałów metali, takich jak Au, Cu i Ag o niskiej rezystywności, oporność w wysokiej temperaturze, stabilne właściwości chemiczne i mały współczynnik dyfuzji [31]. Zhang Xuebin [32] badał proces przygotowania podłoża ceramicznego DPC, a wyniki wykazały, że wytrzymałość wiązania można poprawić za pomocą stopu W/Ti jako warstwy przejściowej. Gdy grubość warstwy przejściowej wynosiła 200 nm, wytrzymałość wiązania przygotowanego cienkiego filmu podłoża ceramicznego Al2O3 była większa niż 97,2N. Ponadto, oprócz przygotowania cienkich warstw przez fizyczne osadzanie pary, niektórzy uczeni uzyskali miedziane cienkie warstwy na powierzchni ceramiki przez poszycie elektroeneralne. Xue Shengjie i in. [13] z Uniwersytetu Chongqing zastosowali metodę poszycia elektronicznego do optymalizacji różnych parametrów procesu. AL N cienkowarstwowy podłoże ceramiczne o sile wiążą 18,45 N, przygotowano przewodność 2,65 × 10^6 s/ m, szybkość osadzania 0,026 g/ (s · cm2) i przewodność cieplną 147,29 W/ (m · k).

W porównaniu z innymi ceramicznymi metodami metalizacji powierzchniowej, proces DPC ma niską temperaturę roboczą, ogólnie poniżej 300 ° C, co zmniejsza koszt procesu produkcji i skutecznie unika negatywnych skutków wysokiej temperatury na materiał. Podłoż DPC wykorzystuje technologię Guanginging Huang do wytworzenia obwodu graficznego, szerokość linii można kontrolować w 20 ~ 30 μm, płaskość powierzchni może osiągnąć 3 μm lub mniej, a błąd dokładności grafiki można kontrolować w ciągu ± 1%, który jest bardzo odpowiedni dla Opakowanie urządzeń elektronicznych z wymaganiami o wysokiej dokładności obwodu. W szczególności górne i dolne powierzchnie podłoża ceramicznego można połączyć po wycięciu otworów i wypełnianiu miedzi przez otwory podłoża DPC przez laser, spełniając w ten sposób trójwymiarowe wymagania opakowania urządzeń elektronicznych. DPC nie tylko zmniejsza wolumen pakietu, ale także skutecznie poprawia integrację pakietu. Chociaż ceramiczny podłoże DPC ma powyższe zalety, ma również pewne niedociągnięcia, takie jak ograniczona grubość warstwy miedzianej osadzonej w galwozorze, duże zanieczyszczenie cieczy galwanicznej odpadów, niską wytrzymałość wiązania między warstwą metalu a ceramiczną oraz niską niezawodność w stosowaniu produktu.

2 Porównanie wydajności i trend rozwoju ceramicznego podłoża

2.1 Porównanie wydajności ceramicznego podłoża

Oprócz funkcji elektrycznego połączenia i rozpraszania ciepła podłoże elektronicznego opakowania rozpraszania ciepła typu mocy musi również mieć pewną izolację, odporność na ciepło, odporność na ciśnienie i wydajność dopasowania ciepła. Ponieważ ceramiczne podłoże ma doskonałe właściwości przewodności cieplnej i izolacji, ma znaczące zalety w stosowaniu opakowania elektronicznych komponentów i jest jednym z głównych kierunków rozwoju podłoża elektronicznego electronic w przyszłości [33]. Główne cechy LTCC, HTCC, TFC, DBC, DBA, DPC Process Ceramic Substrates pokazano w tabeli 1.

Tabela 1 Główne cechy i porównanie wydajności różnych ceramicznych substratów

Do tej pory Cree, Osram, Philips i Nichia oraz inni międzynarodowi najlepsi producenci oraz krajowi Jiangxi Jingrui, Yimei Xinguang, Hucheng Technology, Foshan Guoxing, Shenzhen Ruifeng, Guangzhou Hongli, Ningbo Shengpu i inne przedsiębiorstwa uruchomiły ceramiczne produkty elektroniczne. Obecnie, ze względu na możliwości techniczne, koszt produkcji podłoża ceramicznego jest nadal wysoki. Można jednak przewidzieć, że przy ciągłym przełomie technicznych wąskich gardeł i ciągłym doskonaleniu integracji pakietów, rynkowa akceptacja ceramicznych substratów będzie coraz bardziej ulepszona, a produkty elektroniczne mocy wykorzystujące ceramikę jako podłoża opakowania będą coraz bardziej bogate.

2.2 Trend rozwojowy podłoża ceramicznego

Podłoże ceramiczne ma niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, dobrej właściwości przewodności cieplnej i izolacji i został uznany za najbardziej obiecujący materiał substratu rozpraszania ciepła w branży. W niektórych przypadkach stopniowo zastępuje metalowy podłoże i staje się preferowanym roztworem zarządzania termicznego do rozpraszania ciepła komponentów elektronicznych o dużej mocy [34].

Jak wspomniano powyżej, ceramiczna technologia produkcji substratu stosowana obecnie do opakowania komponentów elektronicznych o dużej mocy ma w sumie HTCC, LTCC, TFC, DBC, DAB, DPC sześć rodzajów, z których metalowy proszek w procesie HTCC to głównie Tungsten, Molybdenum , mangan i inne metale o wysokiej temperaturze topnienia, ale słaba przewodność elektryczna, a jego koszt produkcji jest wysoki, więc jest na ogół mniej używany. Proces LTCC Z powodu dodania niskiej przewodności cieplnej materiałów szklanych w zawiesinie, jego przewodność cieplna wynosi tylko 2 ~ 3 W/ (M · K), w porównaniu ze zwykłymi zaletami MCPCB nie są oczywiste. Jednocześnie grafika linii HTCC i LTCC jest wykonana za pomocą technologii grubej folii (TFC), która ma niedociągnięcia szorstkiej powierzchni i niedokładne wyrównanie. Ponadto, w procesie spiekania, występuje również problem niespójnego skurczu ceramicznego zielonego kęsa, co sprawia, że ​​rozwiązywanie procesu ceramiki opalanej ograniczają się do pewnego stopnia, a popularyzacja i zastosowanie stoją również przed wielkimi wyzwaniami.

Ze względu na słabą zwilżalność miedzi w fazie ciekłej na powierzchni ceramicznej w procesie DBC, elementy tlenu muszą zostać wprowadzone w warunkach wysokiej temperatury, aby osiągnąć powłokę ceramiki folii miedzianej i matrycy, a mikro-pomoczki są łatwo generowane na powierzchni interfejsu, który ma wysoki sprzęt i wymagania techniczne i nadal koncentruje się na badaniach krajowych i zagranicznych badaczy. Aluminium w procesie DAB jest łatwe do utleniania w wysokiej temperaturze, co wpłynie na zwilżalność ciekłego aluminium na powierzchni ceramicznej, a zastosowanie należy przeprowadzić w warunkach bez tlenu, więc wymagania dotyczące sprzętu i technologii są również stosunkowo stosunkowo Ostra i duża industrializacja nie została obecnie zrealizowana. Obecnie zachodnie kraje rozwinięte, Japonia, Korea Południowa mają technologię DBC i DAB oraz korzyści rynkowe. Niektóre instytucje naukowe w Chinach przeprowadziły również niektóre prace badawcze nad DBC i DAB i dokonały pewnych przełomów technicznych, ale nadal istnieje pewna luka w porównaniu z międzynarodowym poziomem zaawansowanym, produkty są używane głównie w IGBT (izolowana dwubiegunowa dioda) i LD (dioda laserowa) i inne opakowanie urządzeń zasilających. Ze względu na grubą warstwę przewodzącą DBC i DAB zalety dwóch substratów zastosowane do opakowania LED nie są oczywiste.

Proces DPC rozwiązuje problem słabej zwilżalności folii miedzianej na powierzchni ceramicznej poprzez wprowadzenie metalowej warstwy przejściowej na powierzchni ceramicznej i z powodzeniem realizuje metalizację powierzchni ceramicznej na przesłanek zapewnienia siły wiązania między warstwą przewodzącą a podłożem ceramicznym. Podłoż ceramiczny DPC ma nie tylko doskonałą przewodność elektryczną, ale ma również wysoką dokładność linii i gładkość powierzchni, co jest bardzo odpowiednie do pakowania kladdingu LED i eutektycznego procesu LED, i osiągnął industrializację pod względem skali produkcyjnej i jest obecnie najbardziej zdolna do tego, aby najbardziej zdolna jest Zaspokajają potrzeby DILD do dużej mocy, dużej gęstości światła i niewielkiego kierunku rozwoju podłoża chłodzącego opakowanie ceramicznego. Obecnie chiński region Tajwanu zajmuje monopolistykę w zakresie technologii podstawowej DPC, stanowiąc 80% globalnego udziału w rynku produktów, i jest głównym dostawcą ceramicznych substratów chłodzenia dla gigantów przemysłu oświetleniowego półprzewodników, takich jak Cree, Lumileds i Osram w Niemczech. W dzisiejszych czasach, wraz z ciągłym wzrostem działań badawczych i rozwojowych, technologia podłoża DPC na kontynencie dokonała również przełomów, co w pewnym stopniu może zaspokoić potrzeby opakowania LED LED w celu rozproszenia ciepła.

Na tle ciągłego przełomu technologii procesu produkcyjnego kruchość podłoża ceramicznego jest niepodważalnym faktem, jak korzystać z jego doskonałej przewodności cieplnej, aby zapewnić rozwiązania zarządzania rozpraszaniem ciepła dla szybko rozwijającego się branży LED i aby uniknąć pękania z powodu nadmiernej bratteczności W procesie produkcji i użytkowania jest również praktycznym problemem, którego nie można zignorować. Lejian Technology (Zhuhai) Co., Ltd. wykorzystuje cięcie laserowe lub szlifowanie kółek do pokonywania dużych kawałków ceramiki na wiele małych kawałków i selektywnie wszczepione do struktury FR4, wykorzystując proces prasowy, aby połączyć ceramikę i FR4 razem, aby razem, aby połączyć ceramikę i FR4 tworzyć kompozytową strukturę rozpraszania ciepła. Wśród nich ceramika działa jak kanał rozpraszania ciepła układu, tak że ciepło wytwarzane przez elementy elektroniczne podczas procesu pracy można szybko rozproszyć do świata zewnętrznego wzdłuż ceramiki, aby uniknąć niezawodności spowodowanej komponentami przez słabe rozpraszanie ciepła, co powoduje ryzyko przedwczesnej awarii, jak pokazano na rycinie 1 i ryc. 2. Projekt ten nie tylko zachowuje funkcję rozpraszania ciepła ceramiki, ale także rozwiązuje problem kruchej ceramiki. Jednocześnie można osiągnąć obróbkę na FR4, co znacznie zmniejsza wysokie koszty cięcia czystej ceramiki. Obecnie tego rodzaju kompozytowy materiał podłoża zastosowano do określonej skali w polach LED i IGBT o dużej mocy.

3 uwagi zamykania

Rozpraszanie ciepła jest kluczowym problemem technicznym w rozwoju elektronicznych elementów mocy. W świetle wysokiej mocy, niewielki, lekki, stał się przyszłym trendem rozwojowym opakowania komponentów elektronicznych, podłoża ceramicznego oprócz doskonałych charakterystyk przewodnictwa cieplnego, ale ma również dobrą izolację, odporność na ciepło, odporność na ciśnienie i dobrą wydajność dopasowania termicznego wraz z Chip stał się pierwszym wyborem dla średniej i wysokiej klasy elektronicznych elektronicznych komponentów opakowania rozpraszania ciepła. Proces metalizacji ceramicznej powierzchni podłoża jest ważnym ogniwem uświadomienia sobie stosowania ceramiki w opakowaniu elektronicznych komponentów. Metoda metalizacji określa wydajność, koszt produkcji, wydajność produktu i zakres zastosowania podłoża ceramicznego.