登录   |   注册

陶瓷基板现状与发展分析

2017年11月11日 04:55 分类:技术文件

2017-11 摘自:互联网

 

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

1、 塑料和陶瓷材料的比较

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

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

2、 各种陶瓷材料的比较

2.1 Al2O3

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

2.2 BeO

      具有比金属铝还高的热导率,应用于需要高热导的场合,但温度超过300℃后迅速降低,最重要的是由于其毒性限制了自身的发展。

2.3 AlN

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

3、 陶瓷基板的制造

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

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

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

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

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

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

4 、基板种类及其特性比较

      现阶段较普遍的陶瓷散热基板种类共有HTCC、LTCC、DBC、DPC四种,其中HTCC属于较早期发展的技术,但由于烧结温度较高使其电极材料的选择受限,且制作成本相对昂贵,这些因素促使LTCC的发展,LTCC虽然将共烧温度降至约850℃,但缺点是尺寸精确度、产品强度等不易控制。

      而DBC与DPC则为国内近几年才开发成熟,且能量产化的专业技术,DBC是利用高温加热将Al2O3与Cu板结合,其技术瓶颈在于不易解决Al2O3与Cu板间微气孔产生之问题,这使得该产品的量产能量与良率受到较大的挑战,而DPC技术则是利用直接镀铜技术,将Cu沉积于Al2O3基板之上,其工艺结合材料与薄膜工艺技术,其产品为近年最普遍使用的陶瓷散热基板。然而其材料控制与工艺技术整合能力要求较高,这使得跨入DPC产业并能稳定生产的技术门槛相对较高。

4.1 LTCC (Low-Temperature Co-fired Ceramic)

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



4.2 HTCC (High-Temperature Co-fired Ceramic)

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

4.3 DBC (Direct Bonded Copper)

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

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

  ● 热性能好;

  ● 电容性能;

  ● 高的绝缘性能;

  ● Si相匹配的热膨胀系数;

  ● 电性能优越,载流能力强。

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

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

  ● 极好的热循环性能,循环次数达5万次,可靠性高;

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

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

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

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

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

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

4.3.1 直接敷铜陶瓷基板发展趋势

      在大功率、高密度封装中,电子元件及芯片等在运行过程中产生的热量主要通过陶瓷基板散发到环境中,所以陶瓷基板在散热过程中担当了重要的角色。Al2O3陶瓷导热率相对较低,在大功率、高密度封装器件运行时须强制散热才可满足要求。BeO陶瓷导热性能最好,但因环保问题,基本上被淘汰。SiC陶瓷金属化后键合不稳定,作为绝缘基板用时,会引起热导率和介电常数的改变。AlN陶瓷具有高的导热性能,适用于大功率半导体基片,在散热过程中自然冷却即可达到目的,同时还具有很好的机械强度、优良的电气性能。虽然目前国内制造技术还需改进,价格也比较昂贵,但其年产增率比Al2O3陶瓷高4倍以上,以后可以取代BeO和一些非氧化物陶瓷。所以采用AlN陶瓷做绝缘导热基板已是大势所趋,只不过是存在时间与性价比的问题。

4.3.2直接敷铝(DAB)陶瓷基板与直接敷铜陶瓷基板(DBC)性能比较

      直接敷铝基板作为一种绝缘载体应用于电子电路而取得长足进展,该技术借鑑了直接敷铜陶瓷基板技术。这类新型的直接敷Al基板在理论和实验上表现出好的特性。尽管它的特性在很多方面相似于直接敷Cu基板。对于直接敷Cu基板,由于金属铜的膨胀系数室温时为17.0 ′10-6/°C,96氧化铝陶瓷基板的热膨胀系数室温时为6.0′10-6/°C,铜和氧化铝敷接的温度较高(大于1000℃),界面会形成比较硬的产物CuAlO2,所以敷接铜的氧化铝基板的内应力较大,抗热震动性能相对较差,在使用中常常因疲劳而损坏。

     铝和铜相比,具有较低的熔点,低廉的价格和良好的塑性,纯铝的熔点只有660℃,纯铝的膨胀系数在室温时为23.0′ 10-6/℃,金属铝和氧化铝陶瓷基板的敷接是物理湿润,在界面上没有化学反应,而且纯铝所具有的优良的塑性能够有效缓解界面因热膨胀系数不同引起的热应力,研究也证实Al/Al2O3陶瓷基板具有非常优良的抗热震性能。这是直接敷Cu基板无法比拟的,同时金属铝和氧化铝陶瓷之间的抗剥离强度也较大。

      直接敷铝基板作为基板特别适合于功率电子电路直接敷铝基板性能不同于直接敷铜基板的性能,前者在高温循环下有更好的稳定性能。直接敷铝基板的芯片也表现出更好的稳定性,胜过直接敷铜基板。直接敷铝基板以它的高的抗热震性、低的重量,有望在将来开发出更好的性能,以满足更高的需求。

4.3.3敷铝陶瓷基板的发展趋势

      敷铝陶瓷基板(DAB)以其独特的性能应用于绝缘载体,特别是功率电子电路。这种新型材料在很多方面都有和直接敷铜基板(DBC)相似的地方,而自身又具有显著的抗热震性能和热稳定性能,对提高在极端温度下工作器件的稳定性十分明显。由Al-Al2O3基板、Al-AlN基板做成的电力器件模块已成功应用在日本汽车工业上。DAB基板在对高可靠性有特殊要求的器件上具有巨大的潜力,这就使其非常适合优化功率电子系统、自动化、航空航天等。

 4.4 DPC (Direct Plate Copper)

      DPC亦称为直接镀铜基板, DPC基板工艺为例:首先将陶瓷基板做前处理清洁,利用薄膜专业制造技术-真空镀膜方式于陶瓷基板上溅镀结合于铜金属复合层,接着以黄光微影之光阻被复曝光、显影、蚀刻、去膜工艺完成线路制作,最后再以电镀/化学镀沉积方式增加线路的厚度,待光阻移除后即完成金属化线路制作,


5 、陶瓷基板特性

5.1 热传导率

      热导率代表了基板材料本身直接传导热能的一种能力,数值愈高代表其散热能力愈好。在LED领域散热基板最主要的作用就是在于,如何有效的将热能从LED芯片传导到系统散热,以降低LED 芯片的温度,增加发光效率与延长LED寿命,因此,散热基板热传导效果的优劣就成为业界在选用散热基板时,重要的评估项目之一。

      检视表一,由四种陶瓷散热基板的比较可明看出,虽然Al2O3材料之热传导率约在20~24之间,LTCC为降低其烧结温度而添加了30%~50%的玻璃材料,使其热传导率降至2~3W/mK左右;而HTCC因其普遍共烧温度略低于纯Al2O3基板之烧结温度,而使其因材料密度较低使得热传导系数低Al2O3基板约在16~17W/mK之间。一般来说,LTCC与HTCC散热效果并不如DBC与DPC散热基板里想。

5.2 操作环境温度

      操作环境温度,主要是指产品在生产过程中,使用到最高工艺温度,而以一生产工艺而言,所使用的温度愈高,相对的制造成本也愈高,且良率不易掌控。

      HTCC工艺本身即因为陶瓷粉末材料成份的不同,其工艺温度约在1300~1600℃之间,而LTCC/DBC的工艺温度亦约在850~1000℃之间。此外,HTCC与LTCC在工艺后对必须叠层后再烧结成型,使得各层会有收缩比例问题,为解决此问题相关业者也在努力寻求解决方案中。

      另一方面,DBC对工艺温度精准度要求十分严苛,必须于温度极度稳定的1065~1085℃温度范围下,才能使铜层熔炼为共晶熔体,与陶瓷基板紧密结合,若生产工艺的温度不够稳定,势必会造成良率偏低的现象。而在工艺温度与裕度的考量,DPC的工艺温度仅需250~350℃左右的温度即可完成散热基板的制作,完全避免了高温对于材料所造成的破坏或尺寸变异的现象,也排除了制造成本费用高的问题。

5.3 工艺能力

      工艺能力,主要是表示各种散热基板的金属线路是以何种工艺技术完成,由于线路制造/成型的方法直接影响了线路精准度、表面粗糙镀、对位精准度…等特性,因此在高功率小尺寸的精细线路需求下,工艺分辨率便成了必须要考虑的重要项目之一。

      LTCC与HTCC均是采用厚膜印刷技术完成线路制作,厚膜印刷本身即受限于网版张力问题,一般而言,其线路表面较为粗糙,且容易造成有对位不精准与累进公差过大等现象。此外,多层陶瓷叠压烧结工艺,还有收缩比例的问题需要考量,这使得其工艺分辨率较为受限。

      而DBC虽以微影工艺备制金属线路,但因其工艺能力限制,金属铜厚的下限约在150~300um之间,这使得其金属线路的分辨率上限亦仅为150~300um之间(以深宽比1:1为标准)。而DPC则是采用的薄膜工艺制作,利用了真空镀膜、黄光微影工艺制作线路,使基板上的线路能够更加精确,表面平整度高,再利用电镀/电化学镀沉积方式增加线路的厚度,DPC金属线路厚度可依产品实际需求(金属厚度与线路分辨率)而设计。

      一般而言,DPC金属线路的分辨率在金属线路深宽比为1:1的原则下约在10~50um之间。因此,DPC杜绝了LTCC/HTCC的烧结收缩比例及厚膜工艺的网版张网问题。

5.4、陶瓷散热基板之应用

      陶瓷散热基板会因应需求及应用上的不同,外型亦有所差别。另一方面,各种陶瓷基板也可依产品制造方法的不同,作出基本的区分。LTCC散热基板在LED产品的应用上,大多以大尺寸高功率以及小尺寸低功率产品为主,基本上外观大多呈现凹杯状,且依客户端的需求可制作出有导线架 & 没有导线架两种散热基板,凹杯形状主要是针对封装工艺采用较简易的点胶方式封装成型所设计,并利用凹杯边缘作为光线反射的路径,但LTCC本身即受限于工艺因素,使得产品难以备制成小尺寸,再者,采用了厚膜制作线路,使得线路精准度不足以符合高功率小尺寸的LED产品。而与LTCC工艺与外观相似的HTCC,在LED散热基板这一块,尚未被普遍的使用,主要是因为HTCC采用1300~1600℃高温干燥硬化,使生产成本的增加,相对的HTCC基板费用也高,因此对极力朝低成本趋向迈进LED产业而言,面临了较严苛的考验HTCC。

      另一方面, DBC与DPC则与LTCC/HTCC不仅有外观上的差异,连LED产品封装方式亦有所不同,DBC/DPC均是属于平面式的散热基板,而平面式散热基板可依客制化备制金属线路加工,再根据客户需求切割成小尺寸产品,辅以共晶/复晶工艺,结合已非常纯熟的萤光粉涂布技术及高阶封装工艺技术铸膜成型,可大幅的提升LED的发光效率。

      然而,DBC产品因受工艺能力限制,使得线路分辨率上限仅为150~300um,若要特别制作细线路产品,必须采用研磨方式加工,以降低铜层厚度,但却造成表面平整度不易控制与增加额外成本等问题,使得DBC产品不易于共晶/复晶工艺高线路精准度与高平整度的要求之应用。DPC利用薄膜微影工艺备制金属线路加工,具备了线路高精准度与高表面平整度的的特性,非常适用于复晶/共晶接合方式的工艺,能够大幅减少LED产品的导线截面积,进而提升散热的效率。

6、结论

       经由上述各种陶瓷基板之生产流程、特性比较、以及应用范围说明后,可明确的比较出个别的差异性。其中,LTCC散热基板在LED产业中已经被广泛的使用,但LTCC为了降低烧结温度,于材料中加入了玻璃材料,使整体的热传导率降低至2~3W/mK之间,比其他陶瓷基板都还要低。

      再者,LTCC使用网印方式印制线路,使线路本身具有线径宽度不够精细、以及网版张网问题,导致线路精准度不足、表面平整度不佳等现象,加上多层叠压烧结又有基板收缩比例的问题要考量,并不符合高功率小尺寸的需求,因此在LED产业的应用目前多以高功率大尺寸,或是低功率产品为主。而与LTCC工艺相似的HTCC以1300~1600℃的高温干燥硬化,使生产成本偏高,居于成本考量鲜少目前鲜少使用于LED产业,且HTCC与LTCC有相同的问题,亦不适用于高功率小尺寸的LED产品。

      另一方面,为了使DBC的铜层与陶瓷基板附着性佳,必须因采用1065~1085℃高温熔炼,制造费用较高,且有基板与Cu板间有微气孔问题不易解决,使得DBC产品产能与良率受到极大的考验;再者,若要制作细线路必须采用特殊处理方式将铜层厚度变薄,却造成表面平整度不佳的问题,若将产品使用于共晶/复晶工艺的LED产品相对较为严苛。反倒是DPC产品,本身采用薄膜工艺的真空溅镀方式镀上薄铜,再以黄光微影工艺完成线路,因此线径宽度10~50um,甚至可以更细,且表面平整度高(<0.3um)、线路对位精准度误差值仅+/-1%,完全避免了收缩比例、网版张网、表面平整度、高制造费用…等问题。虽LTCC、HTCC、DBC、与DPC等陶瓷基板都已广泛使用与研究,然而,在高功率LED陶瓷散热领域而言,DPC在目前发展趋势看来,可以说是最适合高功率LED发展需求的陶瓷散热基板。

 


阅读(354)┆ 评论(0)
前一篇:已经是第一篇
后一篇:高可靠性元器件禁限用工艺