Просмотры:0 Автор:材料导报 2017,31(S2),277-281 Время публикации: 2025-02-13 Происхождение:秦典成; 李保忠; 肖永龙; 张军杰
Аннотация: Теплоотводящая подложка является важным каналом отвода тепла мощных электронных компонентов, и ее теплопроводность напрямую влияет на надежность и срок службы электронных компонентов силового типа. В данной статье подробно представлены техническая схема и состояние развития поверхностной металлизации керамики как теплорассеивающего материала подложки с высокой теплопроводностью, указываются ключевые технические трудности различных схем металлизации, сравниваются и анализируются характеристики и различия в характеристиках различных теплорассеивающих подложек керамической упаковки, а также на этой основе прогнозируются тенденции развития керамических подложек.
Проблема рассеивания тепла постепенно стала узким местом, ограничивающим развитие силовой электронной продукции в направлении высокой мощности и света. Непрерывное накопление тепла в силовых электронных компонентах будет постепенно увеличивать температуру перехода микросхемы и вызывать термическое напряжение, что приводит к ряду проблем с надежностью, таких как сокращение срока службы и изменения цветовой температуры. При упаковке силовых электронных компонентов охлаждающая подложка не только выполняет функции электрического соединения и механической поддержки, но также является важным каналом передачи тепла. Для силовых электронных устройств подложка упаковки должна иметь высокую теплопроводность, изоляцию и термостойкость, а также высокую прочность и коэффициент теплового расширения, соответствующий чипу.
В настоящее время распространенной подложкой для рассеивания тепла на рынке являются в основном металлическая подложка (MCPCB) и керамическая подложка. Из-за чрезвычайно низкой теплопроводности теплоизоляционного слоя MCPCB становится все труднее адаптировать к требованиям разработки электронных компонентов силового типа. Керамическая подложка как новый материал для рассеивания тепла, ее комплексные характеристики, такие как теплопроводность и изоляция, не имеют себе равных среди обычных MCPCB, а металлизация поверхности керамической подложки является важной предпосылкой для определения ее практического применения.
В этой статье подробно представлены технология и состояние исследований металлизации поверхности керамической подложки, а также описан принцип различных схем металлизации, а также указаны ключевые технические контрольные точки каждой схемы, чтобы предоставить техническую ссылку для выбора керамической упаковочной подложки светодиодного типа мощности.
После спекания поверхность керамической подложки необходимо металлизировать, а затем создать рисунок поверхности путем переноса изображения для достижения характеристик электрического соединения керамической подложки. Металлизация поверхности является важной частью производства керамических подложек, поскольку смачивающая способность металла при высоких температурах на керамической поверхности определяет силу связи между металлом и керамикой, а хорошая сила связи является важной гарантией стабильности характеристик упаковки светодиодов.
Поэтому вопрос о том, как реализовать металлизацию на керамических поверхностях и улучшить силу сцепления между ними, стал предметом внимания многих научных и технологических исследователей [4,5,6]. В настоящее время распространенные методы металлизации керамических поверхностей можно грубо разделить на несколько форм, таких как метод совместного обжига (HTCC и LTCC), метод толстой пленки (TFC), метод прямого нанесения меди (DBC), метод прямого нанесения алюминия (DBA) и метод тонких пленок (DPC) [7,8].
В последние годы многослойные керамические подложки совместного сжигания привлекли широкое внимание, поскольку они могут удовлетворить многие требования интегральных схем за счет внедрения в подложки пассивных компонентов, таких как сигнальные линии и микропровода, с использованием толстопленочной технологии [9].
Существует два типа метода совместного сжигания: одно — высокотемпературное совместное сжигание (HTCC), а другое — низкотемпературное совместное сжигание (LTCC). Последовательность действий в обоих случаях в основном одинакова. Основным производственным процессом является подготовка суспензии, литье полосы, сушка сырой заготовки, сверление сквозного отверстия, отверстие для трафаретной печати, линия трафаретной печати, ламинированное спекание и окончательная нарезка, а также другие процессы последующей обработки. Порошок глинозема и органический клей смешивают с образованием суспензии, а затем суспензию перерабатывают в листы с помощью скребка. После сушки формируется сырая керамическая заготовка [10]. Затем на сырой заготовке обрабатываются пилотные отверстия согласно проектным требованиям и засыпается металлический порошок. Наконец, каждый слой сырой заготовки ламинируется, спекается и формируется в печи совместного обжига. Хотя процесс двух методов совместного обжига примерно одинаков, температура спекания сильно различается. Температура совместного обжига HTCC составляет 1300–1600 ℃, а температура спекания LTCC – 850–900 ℃. Основная причина этой разницы заключается в том, что суспензия спекания LTCC добавляется для снижения температуры спекания стеклянного материала, чего нет в суспензии совместного обжига HTCC. Хотя материал стекла может снизить температуру спекания, теплопроводность подложки может быть значительно снижена [11,12,13].
Керамическая подложка совместного обжига имеет значительные преимущества в увеличении плотности сборки, сокращении длины межсоединений, уменьшении задержки сигнала, уменьшении объема и повышении надежности. Более распространенным применением подложки совместного обжига является спекание различных пассивных устройств в спекании керамической пасты, создание трехмерной интегральной и не мешающей схемы высокой плотности, установка ИС и активных устройств на ее поверхность, создание успешного интегрального модуля, дальнейшее уменьшение структуры схемы, улучшение плотности интеграции, особенно подходящей для компонентов высокочастотной связи [13]. Однако, поскольку и HTCC, и LTCC используют трафаретную печать для завершения производства графики, процесс печати сильно влияет на точность размеров и шероховатость поверхности графики. В то же время процесс ламинирования также может привести к неточному выравниванию графики, что приведет к накоплению чрезмерного допуска. Более того, сырая заготовка склонна к непостоянной усадке в процессе спекания, что в значительной степени ограничивает применение процесса совместного обжига [14,15].
Метод толстой пленки относится к методу трафаретной печати, проводящая паста наносится непосредственно на керамическую матрицу, а затем спекается при высокой температуре, чтобы металлический слой прочно прикреплялся к керамической матрице. Выбор пасты для толстопленочных проводников является ключевым фактором при определении процесса изготовления толстопленочных проводников, который состоит из функциональной фазы (т.е. металлического порошка с размером частиц менее 2 мкм), связующей фазы (связующего) и органического носителя. Обычные металлические порошки включают Au, Pt, Au/Pt, Au/Pd, Ag, Ag/Pt, Ag/Pd, Cu, Ni, Al и W, среди которых большинство составляют суспензии Ag, Ag/Pd и Cu [16]. Связующее обычно представляет собой стеклянный материал или оксид металла или их смесь, и его роль заключается в соединении керамики и металла и определении адгезии толстопленочной суспензии к матричной керамике, что является ключом к производству толстопленочной суспензии. Функция органического носителя заключается в основном в диспергировании функциональной фазы и связывании фазы и в то же время в поддержании определенной вязкости толстопленочной суспензии для подготовки к последующей трафаретной печати, которая постепенно испаряется в процессе спекания [17].
В настоящее время исследования толстопленочной электронной пасты из оксида алюминия достигли зрелости, в то время как толстопленочная электронная паста из нитрида алюминия все еще имеет большое пространство для развития, что вызвано неудовлетворительной смачиваемостью большинства металлов керамикой из нитрида алюминия [17]. Чтобы улучшить силу сцепления между металлом и керамикой из нитрида алюминия в процессе производства толстых пленок, существует два распространенных метода. Один из них заключается в использовании стеклянного материала в качестве связующей фазы, чтобы обеспечить механическое соединение слоя металла и слоя AlN; Второй — добавить вещество, которое может реагировать с AlN, в качестве связующей фазы и добиться химической связи путем реакции с AlN. В настоящее время основным составом большинства систем связующего стекла из суспензии нитрида алюминия является SiO2-B2O3, поскольку силикатное и боратное стекло оказывают хорошее смачивающее действие на металл и нитрид алюминия. Кроме того, температура размягчения боратного стекла низкая, что позволяет повысить скорость обжига и повысить плотность после спекания. Однако низкая температура размягчения бората также приводит к его размягчению до достижения температуры спекания металлизации, так что металлический слой не может образовывать эффективную сетчатую сшивающую структуру с керамикой из нитрида алюминия. Добавление силиката может эффективно решить эту проблему. В то же время характеристики стеклофазы можно дополнительно улучшить путем добавления к стеклофазе соответствующего количества щелочного и щелочноземельного металла, поскольку щелочной или щелочноземельный металл может дифференцировать стекло и снижать вязкость стекла. Обычно с увеличением количества щелочного или щелочноземельного металла вязкость значительно снижается, что способствует улучшению текучести суспензии и ускорению металлизации и спекания. Обычно используемые щелочные или щелочноземельные металлы включают Li2O, Na2O, K2O, BaO и PdO и т. д. [18,19]. Кроме того, могут быть добавлены некоторые вещества, которые могут реагировать с нитридом алюминия с образованием новых фаз, например Cr2O3, PdO, ZnO и т. д., а реакционная сила связи, образуемая новой фазой, может быть использована для улучшения прочности адгезии суспензии после металлизации. Отмечено, что некоторые оксиды щелочноземельных металлов кремния и бора, а также оксиды циркония, железа, свинца и фосфора могут реагировать с AlN с образованием новых веществ [20,21]. Например, при использовании связующей фазы ZrB2 из-за образования новой фазы Al2O3 · B2O3 (боральная шпинель) во время процесса реакции сила связи между металлизированным слоем и керамикой из нитрида алюминия может достигать 24 МПа, а ZrO2, образующийся в процессе реакции, также может ускорять окисление AlN, тем самым способствуя реакции.
Толщина металлического слоя после спекания TFC обычно составляет 10–20 мкм, а минимальная ширина линии — 0,1 мм. Благодаря отработанной технологии, простоте процесса и низкой стоимости TFC используется в упаковках светодиодов с низкими требованиями к графической точности. В то же время TFC имеет некоторые недостатки, такие как низкая точность изображения (погрешность составляет ± 10%), на стабильность покрытия легко влияет однородность суспензии, плохая плоскостность линий (более 3 мкм) и трудно контролировать адгезию, поэтому диапазон его применения ограничен.
DBC — это метод металлизации приклеивания медной фольги на керамическую поверхность (в основном Al2O3 и AlN), который представляет собой новый процесс, разработанный с появлением технологии упаковки «чип на плате» (COB). Основной принцип заключается в том, чтобы ввести кислород между Cu и керамикой, а затем сформировать эвтектическую жидкую фазу Cu/O при температуре 1065 ~ 1083 ℃, а затем вступить в реакцию с керамической матрицей и медной фольгой с образованием CuAlO2 или Cu(AlO2)2 и реализовать связь между медной фольгой и матрицей под действием промежуточной фазы. Поскольку Al N является неоксидной керамикой, ключом к покрытию меди на его поверхности является формирование на его поверхности переходного слоя Al2O3 и реализация эффективного соединения между медной фольгой и матричной керамикой под действием переходного слоя [22].
Введение кислорода является очень важным этапом процесса DBC. Время окисления и температура окисления являются двумя наиболее важными параметрами в этом процессе, которые оказывают очень важное влияние на силу связи между керамикой и медной фольгой после склеивания. Когда время окисления и температура окисления фиксированы, матрица Al2O3 без предварительной окислительной обработки в процессе соединения с медной фольгой, поскольку кислороду трудно проникнуть на границу раздела медной фольги и керамической подложки, жидкая фаза Cu/O имеет плохую смачиваемость на подложке, и, наконец, на интерфейсе останется большое количество отверстий и дефектов. После предварительного окисления матрицы одновременно с покрытием можно обеспечить достаточную подачу кислорода, поэтому жидкая фаза Cu/O имеет хорошую смачиваемость керамической матрицы и медной фольги, межфазные полости и дефекты значительно уменьшаются, а сила связи между медной фольгой и матрицей также становится более прочной. В случае AlN, поскольку AlN представляет собой соединение с прочными ковалентными связями, смачиваемость жидкой фазы Cu/O плохая. Когда медь DBC наносится на ее поверхность, смачиваемость жидкой фазы Cu/O на керамической матрице должна быть улучшена путем модификации поверхности, чтобы обеспечить силу сцепления медной фольги и матрицы. В настоящее время общепринятой практикой является использование предварительного окисления для формирования пленки Al2O3 определенной толщины, равномерной дисперсии и плотной структуры на поверхности AlN. Из-за несоответствия коэффициента термического расширения пленки оксида алюминия и матрицы нитуса алюминия сила сцепления двухфазной границы может ухудшиться из-за существования внутренних напряжений при комнатной температуре, поэтому качество пленки является залогом успеха последующего нанесения покрытия. В общем, чтобы добиться эффективного сочетания того и другого, необходимо уменьшить внутренние напряжения между фазами AlN и Al2O3 за счет максимального уменьшения толщины пленки при условии обеспечения плотности оксидной пленки. Цзин Мин и др. [23] провели систематическое исследование процесса DBC и получили керамическую подложку DBC с прочностью на отслаивание выше 6,5 Н/мм и теплопроводностью 11,86 Вт/(м·К) путем придания шероховатости керамической поверхности расплавленным NaOH. Се Цзяньцзюнь и др. В работе [24] с помощью технологии DBC были получены композитные керамические подложки Cu/Al2O3 и Cu/AlN. Прочность связи между медной фольгой и керамической подложкой AlN превышала 8,00 Н/мм, а между медной фольгой и керамикой AlN существовал переходный слой толщиной около 2 мкм. Его компонентами в основном являются соединения Al2O3, CuAlO2 и Cu2O, а прочность межфазного соединения Cu/AlN постепенно увеличивается с увеличением температуры соединения. А.Кара-Слиман и др. [25] использовали процесс DBC для приготовления керамической подложки из нитрида алюминия в условиях вакуума, когда температура составляла 1000 ℃, давление составляло 4-12 МПа, а прочность на отслаивание достигала 32 МПа.
Медная фольга обладает хорошей электро- и теплопроводностью, а оксид алюминия не только обладает хорошей теплопроводностью, прочной изоляцией и высокой надежностью, но также может эффективно контролировать расширение комплекса CuAl2O3-Cu, так что керамическая подложка DBC имеет аналогичный коэффициент теплового расширения оксида алюминия. Он широко используется в системах терморегулирования IGBT, LD и CPV. Поскольку медная фольга, склеенная горячим прессованием DBC, обычно толще (от 100 до 600 мкм), она обладает высокой токопроводящей способностью и имеет очевидные преимущества в области упаковки IGBT и LD [26].
Хотя ДБК имеет много преимуществ в практическом инженерном применении, он также имеет следующие недостатки: (1) процесс ДБК требует введения кислородных элементов в условиях высоких температур для проведения эвтектической реакции Cu и Al2O3, что требует высокого оборудования и контроля процесса, а стоимость производства подложки высока; (2) Между слоями Al2O3 и Cu легко образуются микропоры, что влияет на термостойкость подложки; (3) Толщина медной фольги, соединенной с поверхностью DBC, обычно превышает 100 мкм, а минимальная ширина линий поверхностного рисунка обычно превышает 100 мкм, что не подходит для создания тонких линий.
Метод прямого алюминиевого покрытия заключается в использовании алюминия в жидком состоянии, керамика имеет хорошую смачиваемость для достижения обоих целей. Когда температура поднимается выше 660 ℃, твердый алюминий сжижается, когда жидкий алюминий смачивает керамическую поверхность, при понижении температуры алюминий непосредственно на керамической поверхности обеспечивается ростом кристаллизации кристаллического ядра, охлаждаясь до комнатной температуры для достижения комбинации двух. Поскольку алюминий более активен, пленка Al2O3 легко окисляется в условиях высоких температур и существует на поверхности жидкого алюминия, что значительно снижает смачиваемость жидкого алюминия на керамической поверхности, что затрудняет нанесение, поэтому ее необходимо удалить перед применением или нанесением в бескислородных условиях. Пэн Жун и др. [23,27] применили метод литья под давлением графита для нанесения чистого жидкого алюминия на поверхность подложки Al2O3 и подложки AlN под давлением, а пленка Al2O3 оставалась в полости формы из-за отсутствия текучести. После охлаждения на подложку DAB нанесли прочное покрытие.
Поскольку смачиваемость жидким алюминием керамической поверхности является ключом к успеху или неудаче DAB, ученые в стране и за рубежом провели множество исследований по смачиваемости. Когда КараСлиман [25] использовал алюминий в качестве промежуточного слоя для склеивания Al N/Al/Fe, он указал, что в процессе нанесения покрытия необходимо прикладывать определенное давление, чтобы разрушить слой Al2O3, появляющийся на поверхности жидкого алюминия, чтобы реализовать эффективное покрытие алюминия нитридом алюминия и железом. Вышеупомянутое соображение касается физического покрытия, то есть на границе раздела алюминий/керамика отсутствует химическая реакция, поэтому прочность связи между алюминием и керамикой зависит от взаимодействия механического замка, вызванного увеличением шероховатости между ними, а сила связи относительно невелика по сравнению с DBC. Однако комбинация этих двух материалов не приводит к образованию второй фазы и имеет преимущество в виде низкого межфазного напряжения и высокой межфазной теплопроводности по сравнению с DBC. Перед нанесением покрытия на алюминий очень важным звеном процесса является обработка поверхности керамики для повышения прочности покрытия.
Имаи [28] обнаружил, что шероховатость поверхности керамической подложки сильно влияет на характеристики покрытия, а поддержание определенной шероховатости является необходимым условием для улучшения прочности покрытия. Поэтому способ обработки керамической подложки для изменения ее шероховатости является ключом к улучшению прочности соединения между алюминием и керамикой. Лин и др. [29] изучили температуру склеивания и свойства Al2O3/Al/Al2O3 и приготовили подложку DAB с высокой прочностью связи и теплопроводностью 32 Вт/(м·К) при 1100 ℃. Цзин Мин и др. [23] впервые сформировали стабильную фазу Cu Al2O4 путем спекания Cu2O на подложке Al2O3, а медная пленка была сформирована на поверхности подложки путем восстановления H2 при 1000 ℃. Наконец, контакт между кислородом и металлическим алюминием был изолирован активным металлическим магнием и защитой тонера в условиях вакуума. Керамическая подложка DAB с прочностью связи Al/Al2O3 до 11,9 МПа была приготовлена методом эвтектического покрытия при 760℃.
Керамическая подложка DAB имеет хорошую термическую стабильность, массу можно уменьшить на 44% по сравнению с DBC той же структуры, способность к соединению алюминиевых проводов хорошая, термическое напряжение между алюминием и керамикой относительно невелико, и в последние годы оно быстро развивается. Подложка Al2O3-DAB и подложка AlN-DAB обладают превосходными характеристиками теплопроводности, хорошей устойчивостью к термической усталости, превосходной термической стабильностью, легким весом конструкции и хорошей способностью к склеиванию алюминиевых проводов. Модуль силового устройства на основе подложки DAB успешно применяется в японской автомобильной промышленности. В настоящее время в стране и за рубежом проведено много исследовательских работ по технологии DAB, но исследования деталей интерфейса алюминий/керамика недостаточно глубоки [4]. Из-за жестких ограничений по содержанию кислорода у ДАБ более высокие требования к оборудованию и управлению технологическим процессом, а себестоимость производства субстрата выше. Толщина поверхностно-склеенного алюминия обычно превышает 100 мкм, что не подходит для создания тонких линий, поэтому его продвижение и применение ограничены.
Тонкопленочный метод — это процесс, при котором металлический слой формируется на поверхности керамики путем физического осаждения из паровой фазы (вакуумное испарение, магнетронное распыление и т. д.), а затем формируется слой металлической схемы путем маски и травления. Среди них физическое осаждение из паровой фазы является наиболее распространенным процессом производства пленок [30].
Физическое осаждение из паровой фазы заключается в формировании слоя металлической пленки толщиной 3–5 мкм на керамической поверхности путем испарения или распыления в качестве проводящего слоя керамической подложки. Прочность межфазного соединения является техническим узким местом подложки DPC из-за разрушения при термоциклировании медного и керамического слоев. Сила сцепления керамики и металлической пленки, сварочные характеристики металлической пленки и стружки, а также проводимость самой металлической пленки являются тремя важными показателями для измерения качества пленки. Сила связи между металлической пленкой и нитридом алюминия определяет практичность и надежность керамической подложки пленочного процесса, в то время как на силу связи влияют сила Ван-дер-Ваальса, сила химической связи, диффузионная адгезия, механическое запирание, электростатическое притяжение и внутреннее напряжение самой пленки, среди которых основными факторами являются диффузионная адгезия и сила химической связи. Поэтому в качестве переходного слоя необходимо выбирать Al, Cr, Ti, Ni, Cu и другие металлы с высокой активностью и хорошими диффузионными характеристиками. Проводящий слой берет на себя функции электрического соединения и сварки, поэтому необходимо выбирать металлические материалы, такие как Au, Cu и Ag, с низким удельным сопротивлением, высокой термостойкостью, стабильными химическими свойствами и малым коэффициентом диффузии [31]. Чжан Сюэбинь [32] изучил процесс подготовки керамической подложки DPC, и результаты показали, что прочность соединения можно улучшить, используя сплав W/Ti в качестве переходного слоя. Когда толщина переходного слоя составляла 200 нм, прочность связи подготовленной тонкопленочной керамической подложки Al2O3 превышала 97,2 Н. Кроме того, помимо получения тонких пленок методом физического осаждения из паровой фазы, некоторые ученые получали тонкие пленки меди на поверхности керамики методом химического осаждения. Сюэ Шэнцзе и др. [13] из Университета Чунцина использовали метод химического нанесения покрытия для оптимизации различных параметров процесса. Была приготовлена тонкопленочная керамическая подложка Al N с силой связи 18,45 Н, проводимостью 2,65×10^6 См/м, скоростью осаждения 0,026 г/(с·см2) и теплопроводностью 147,29 Вт/(м·К).
По сравнению с другими методами металлизации керамической поверхности, процесс DPC имеет низкую рабочую температуру, обычно ниже 300 ° C, что снижает стоимость производственного процесса и эффективно позволяет избежать неблагоприятного воздействия высокой температуры на материал. В подложке DPC для производства графической схемы используется технология Huang Guangying, ширина линии может контролироваться в пределах 20 ~ 30 мкм, плоскостность поверхности может достигать 3 мкм или меньше, а погрешность графики можно контролировать в пределах ± 1%, что очень подходит для упаковки электронных устройств с высокими требованиями к точности схемы. В частности, верхняя и нижняя поверхности керамической подложки могут быть соединены между собой после вырезания отверстий и заполнения медью отверстий подложки DPC с помощью лазера, что соответствует требованиям к трехмерной упаковке электронных устройств. ЦОД не только уменьшает объем пакета, но и эффективно улучшает его интеграцию. Хотя керамическая подложка DPC имеет вышеуказанные преимущества, она также имеет некоторые недостатки, такие как ограниченная толщина слоя меди, нанесенного гальваническим способом, большое загрязнение отработанной гальванической жидкостью, низкая прочность связи между металлическим слоем и керамикой и низкая надежность при применении продукта.
В дополнение к электрическому соединению и функции рассеивания тепла, подложка для рассеивания тепла в электронной упаковке силового типа также должна иметь определенную изоляцию, термостойкость, устойчивость к давлению и характеристики теплового соответствия. Поскольку керамическая подложка обладает превосходной теплопроводностью и изоляционными свойствами, она имеет значительные преимущества при изготовлении корпусов силовых электронных компонентов и является одним из основных направлений развития охлаждающих подложек силовой электронной упаковки в будущем [33]. Основные характеристики керамических подложек процесса LTCC, HTCC, TFC, DBC, DBA, DPC приведены в таблице 1.
Таблица 1. Основные характеристики и сравнение характеристик различных керамических подложек
На данный момент Cree, Osram, Philips и Nichia и другие ведущие международные производители, а также отечественные компании Jiangxi Jingrui, Yimei Xinguang, Hucheng Technology, Foshan Guoxing, Shenzhen Ruifeng, Guangzhou Hongli, Ningbo Shengpu и другие предприятия выпустили силовую электронную продукцию в керамическом корпусе. В настоящее время из-за технических возможностей себестоимость производства керамической подложки все еще высока. Тем не менее, можно предсказать, что с постоянным устранением технических узких мест и постоянным улучшением интеграции корпусов признание керамических подложек на рынке будет все больше улучшаться, а продукты силовой электроники, использующие керамику в качестве упаковочных подложек, будут становиться все более богатыми.
Керамическая подложка имеет низкий коэффициент теплового расширения, хорошую теплопроводность и изоляционные свойства и признана наиболее перспективным материалом подложки для рассеивания тепла в отрасли. В некоторых случаях он постепенно заменяет металлическую подложку и становится предпочтительным решением терморегулирования для рассеивания тепла мощных электронных компонентов [34].
Как упоминалось выше, технология производства керамических подложек, применяемая в настоящее время для изготовления корпусов мощных электронных компонентов, включает в общей сложности шесть видов HTCC, LTCC, TFC, DBC, DAB, DPC, из которых металлический порошок в процессе HTCC состоит в основном из вольфрама, молибдена, марганца и других металлов с высокой температурой плавления, но плохой электропроводностью, а себестоимость его производства высока, поэтому он обычно используется реже. Процесс LTCC из-за добавления стеклянных материалов в суспензию имеет низкую теплопроводность, его теплопроводность составляет всего 2 ~ 3 Вт/(м·К), по сравнению с обычными преимуществами MCPCB неочевидны. В то же время линейная графика HTCC и LTCC выполнена по технологии толстой пленки (TFC), недостатками которой являются шероховатая поверхность и неточное выравнивание. Кроме того, в процессе спекания также существует проблема неравномерной усадки сырой керамической заготовки, что в определенной степени ограничивает технологическое разрешение керамики совместного обжига, а популяризация и применение также сталкиваются с большими проблемами.
Из-за плохой смачиваемости жидкой фазы меди на керамической поверхности в процессе DBC кислородные элементы необходимо вводить в условиях высоких температур для достижения покрытия медной фольги и матричной керамики, а микропоры легко образуются на поверхности раздела, которая имеет высокие требования к оборудованию и техническим требованиям и до сих пор находится в центре внимания отечественных и зарубежных исследователей. Алюминий в процессе DAB легко окисляется при высокой температуре, что повлияет на смачиваемость жидкого алюминия на керамической поверхности, а нанесение необходимо проводить в бескислородных условиях, поэтому требования к оборудованию и технологиям также относительно жесткие, и крупномасштабная индустриализация в настоящее время не реализована. В настоящее время развитые страны Запада, Япония, Южная Корея имеют технологии DBC и DAB и рыночные преимущества. Некоторые научно-исследовательские учреждения в Китае также провели некоторые исследовательские работы по DBC и DAB и добились определенных технических прорывов, но все еще существует определенный разрыв по сравнению с передовым международным уровнем, продукты в основном используются в IGBT (биполярных диодах с изолированным затвором), LD (лазерных диодах) и других силовых устройствах. Из-за толстого проводящего слоя DBC и DAB преимущества двух подложек, применяемых для упаковки светодиодов, не очевидны.
Процесс DPC решает проблему плохой смачиваемости медной фольги на керамической поверхности путем введения металла переходного слоя на керамическую поверхность и успешно реализует металлизацию керамической поверхности при условии обеспечения силы связи между проводящим слоем и керамической подложкой. Керамическая подложка DPC не только обладает превосходной электропроводностью, но также имеет высокую точность линий и гладкость поверхности, что очень подходит для облицовки светодиодов и упаковки светодиодов с эвтектическим процессом, а также достигла индустриализации с точки зрения масштаба производства и в настоящее время наиболее способна удовлетворить потребности светодиодов в высокой мощности, высокой плотности света и небольшом направлении развития охлаждающей подложки керамической упаковки. В настоящее время тайваньский регион Китая занимает монопольное положение в базовой технологии ЦОД, на его долю приходится 80% доли мирового рынка продукции, и он является основным поставщиком керамических охлаждающих подложек для гигантов индустрии полупроводникового освещения, таких как Cree, Lumileds и Osram в Германии. В настоящее время, благодаря постоянному увеличению усилий в области исследований и разработок, технология подложек DPC на материке также добилась прорыва, что также может в определенной степени удовлетворить потребности в мощных светодиодных упаковках для рассеивания тепла.
На фоне постоянного прорыва в узких местах производственных процессов хрупкость керамической подложки является неоспоримым фактом. Как использовать ее превосходную теплопроводность для обеспечения решений по управлению рассеиванием тепла для быстро развивающейся светодиодной промышленности, а также избежать растрескивания из-за чрезмерной хрупкости в процессе производства и использования, также является практической проблемой, которую нельзя игнорировать. Lejian Technology (Zhuhai) Co., Ltd. использует лазерную резку или резку шлифовальным кругом для разрезания больших кусков керамики на множество мелких кусочков и выборочной имплантации в структуру FR4, используя процесс прессования для объединения керамики и FR4 вместе для формирования композитной рассеивающей тепло структуры. Среди них керамика действует как канал рассеивания тепла чипа, так что тепло, выделяемое электронными компонентами во время рабочего процесса, может быстро распространяться во внешний мир вдоль керамики, чтобы избежать надежности компонентов, вызванной плохим рассеиванием тепла, что приводит к риску преждевременного выхода из строя, как показано на рисунках 1 и 2. Такая конструкция не только сохраняет функцию рассеивания тепла керамики, но также решает проблему хрупкости керамики. В то же время обработка может осуществляться на FR4, что значительно снижает затраты на резку чистой керамики. В настоящее время этот вид композитного материала подложки применяется в определенных масштабах в области производства мощных светодиодов и IGBT.
Рассеяние тепла является ключевой технической проблемой при разработке силовых электронных компонентов. В связи с высокой мощностью, небольшими размерами и легким весом, которые стали будущей тенденцией развития корпусов силовых электронных компонентов, керамическая подложка, помимо превосходных характеристик теплопроводности, также обладает хорошей изоляцией, термостойкостью, устойчивостью к давлению и хорошими характеристиками теплового соответствия с чипом, стала первым выбором для рассеивания тепла в упаковках электронных компонентов средней и высокой мощности. Процесс металлизации поверхности керамической подложки является важным звеном в реализации использования керамики в упаковке силовых электронных компонентов. Метод металлизации определяет производительность, стоимость производства, выход продукта и область применения керамической подложки.
1.Для чего используются керамические подложки?
Керамические подложки, обладающие превосходными теплопроводными и изоляционными свойствами, в основном используются в качестве теплорассеивающих подложек для корпусов мощных электронных компонентов, светодиодов, IGBT и лазерных диодов (LD), выполняя функции электрического соединения, механической поддержки и теплопередачи.
2.Можно ли металлизировать поверхность керамических подложек?
Да. Металлизация поверхности является обязательным условием технического применения керамических подложек. Основные процессы включают метод совместного обжига (HTCC/LTCC), метод толстой пленки (TFC), медь с прямым соединением (DBC), алюминий с прямым соединением (DAB), медь с прямым покрытием (DPC) и т. д. Металлический слой обеспечивает электропроводность и паяемость керамики.
3. Каков текущий статус исследований по металлизации поверхности керамических подложек?
Текущие исследования направлены на повышение прочности соединения металл-керамика и решение проблем смачивания поверхности раздела, а также на оптимизацию параметров различных процессов. Зарубежные страны имеют преимущества в технологиях DBC и DAB; Тайваньский регион Китая монополизирует основную технологию ЦОД, а технологические прорывы также были достигнуты на материковой части Китая.
4.Каковы тенденции развития металлизации поверхности керамических подложек?
Тенденции включают усовершенствование (ЦОД для высокоточной упаковки), снижение затрат, а также исследования и разработки композитных подложек. Между тем, преодоление технологических барьеров DBC/DAB будет способствовать широкомасштабному применению керамических подложек в области производства мощных светодиодов и IGBT.
5.Как металлизация поверхности керамических подложек может повлиять на характеристики продукта?
Металлизация поверхности напрямую определяет силу сцепления металл-керамика, что, в свою очередь, влияет на эффективность отвода тепла, надежность и срок службы электронных компонентов. Кроме того, точность процесса определяет точность схемы, отвечая требованиям высокоточной трехмерной упаковки.
Пожалуйста, свяжитесь с нами в любое время, если вам потребуется дополнительная информация.
