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常见陶瓷基板PCB介绍

发布时间:2020-09-14
  陶瓷基板是指铜箔在高温下直接键合到氧化铝(Al2O3)或氮化铝(AlN)陶瓷基片表面( 单面或双面)上的特殊工艺板。所制成的超薄复合基板具有优良电绝缘性能,高导热特性,优异的软钎焊性和高的附着强度,并可像PCB板一样能刻蚀出各种图形,具有很大的载流能力。因此,陶瓷基板已成为大功率电力电子电路结构技术和互连技术的基础材料。
  陶瓷基板产品的问世,开启了散热应用行业的新发展,由于陶瓷基板散热特色,加上陶瓷基板具有高散热、低热阻、寿命长、耐电压等优点,随着生产技术、设备的改良,产品价格加速合理化,进而扩大了LED产业的应用领域,如家电产品的指示灯、汽车车灯、路灯及户外大型看板等。陶瓷基板的开发成功,为室内照明和户外亮化产品提供了更佳的服务,使LED产业未来的市场领域更为宽广。
  特点
  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。
  较好的热循环性能,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。
  种类
  一、按材料来分
  1、 氧化铝(Al2O3)
  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。斯利通氧化铝基板已经可以进行三维定制。
  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。
  氧化铍陶瓷是以氧化铍为主要成分的陶瓷。主要用作大规模集成电路基板,大功率气体激光管,晶体管的散热片外壳,微波输出窗和中子减速剂等材料。
  纯氧化铍(BeO)属立方晶系,其密度3.03g/cm3。熔点2570℃,具有很高的导热性,几乎与紫铜纯铝相等,导热系数λ为200-250W/(m.K),还有很好的抗热震性。其介电常数6~7(0.1MHz)。介质损耗角正切值约为4×10-4(0.1GHz)。最大缺点是粉末有剧毒性,且使接触伤口难于愈合。以氧化铍粉末为原料加入氧化铝等配料经高温烧结而成。制造这种陶瓷需要良好的防护措施。氧化铍在含有水气的高温介质中,挥发性会提高,1000℃开始挥发,并随温度升高挥发量增大,这就给生产带来困难,有些国家已不生产。但制品性能优异,虽价格较高,仍有相当大的需求量。
  3 、氮化铝(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。AlN生产技术国内像斯利通这样能大规模生产的少之又少,相对于Al2O3,AlN价格相对偏高许多,这个也是制约其发展的小瓶颈。不过随着经济的提升,技术的升级,这种瓶颈终会消失。
  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。
  室温强度高,且强度随温度的升高下降较慢。导热性好,热膨胀系数小,是良好的耐热冲击材料。抗熔融金属侵蚀的能力强,是熔铸纯铁、铝或铝合金理想的坩埚材料。氮化铝还是电绝缘体,介电性能良好,用作电器元件也很有希望。砷化镓表面的氮化铝涂层,能保护它在退火时免受离子的注入。氮化铝还是由六方氮化硼转变为立方氮化硼的催化剂。室温下与水缓慢反应.可由铝粉在氨或氮气氛中800~1000℃合成,产物为白色到灰蓝色粉末。或由Al2O3-C-N2体系在1600~1750℃反应合成,产物为灰白色粉末。或氯化铝与氨经气相反应制得.涂层可由AlCl3-NH3体系通过气相沉积法合成  。
  4.氮化硅 (Si3N4)
  罗杰斯公司于2012年推出了新款 curamik®系列氮化硅陶瓷基板。由于氮化硅的机械强度比其它陶瓷高,所以新款curamik® 基板能够帮助设计者在严苛的工作环境以及 HEV/EV 和其它可再生能源应用条件下实现至关重要的长寿命。
  采用氮化硅制成的新款陶瓷基板的挠曲强度比采用 Al2O3和 AlN 制成的基板高。
  时至今日,功率模块内使用的覆铜陶瓷基板的可靠性一直受制于陶瓷较低的挠曲强度,而后者会降低热循环能力。对于那些整合了极端热和机械应力的应用(例如混合动力汽车和电动汽车 (HEV/EV) 而言,目前常用的陶瓷基板不是最佳选择。基板(陶瓷)和导体(铜)的热膨胀系数存在很大差异,会在热循环期间对键合区产生压力,进而降低可靠性。在今年的 PCIM 展上罗杰斯公司推出的该款 curamik® 系列氮化硅 (Si3N4) 陶瓷基板,将使电力电子模块的寿命延长10倍之多。
  随着 HEV/EV 和可再生能源应用的增长,设计者找到了新方法来确保这些推动极具挑战性的新技术发展所需的电子元件的可靠性。由于工作寿命比电力电子使用的其它陶瓷长10倍或者更高,所以氮化硅基板能够提供对于达到必要的可靠性要求至关重要的机械强度。陶瓷基板的寿命是由在不出现剥离和其它影响电路功能与安全的故障的情况下,基板可以承受的热循环重复次数来衡量的。该测试通常是通过从 -55°C 到 125°C 或者 150°C 对样品进行循环运行来完成的。
  使用寿命的延长对于所有将大型半导体晶片直接键合到基板上的功率模块应用而言都至关重要,并且对结温较高(高达250°C)的 SiC 和 GaN 晶片尤为重要。curamik® 氮化硅基板的热导率为 90 W/mK,超过了市面上其它基板的平均值。
  新款基板的机械强度使我们能够利用更薄的陶瓷层,从而降低了热阻,提高了功率密度,削减了系统成本。
  与Al2O3 和 AlN 基板相比,其挠曲强度改善了很多, 设计师们将因此而受益。氮化硅的断裂韧性甚至超过了氧化锆掺杂陶瓷,在 90 W/mK 的热导率下达到了6.5~7 MPa/√m。
  二、 按制造工艺来分
  现阶段较普遍的陶瓷散热基板种类共有HTCC、LTCC、DBC、DPC、LAM五种,其中LAM属于斯利通与华中科技大学国家光电实验室合作的专利技术,HTCC\LTCC都属于烧结工艺,成本都会较高。
  而DBC与DPC则为国内近年来才开发成熟,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。LAM技术又称作激光快速活化金属化技术。
  1、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。
  2、 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。
  3、 DBC (Direct Bonded Copper)
  直接敷铜技术是利用铜的含氧共晶液直接将铜敷接在陶瓷上,其基本原理就是敷接过程前或过程中在铜与陶瓷之间引入适量的氧元素,在1065℃~1083℃范围内,铜与氧形成Cu-O共晶液, DBC技术利用该共晶液一方面与陶瓷基板发生化学反应生成 CuAlO2或CuAl2O4相,另一方面浸润铜箔实现陶瓷基板与铜板的结合。
  陶瓷基板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;
  减少焊层,降低热阻,减少空洞,提高成品率;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%; 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; 超薄型(0.25mm)陶瓷基板可替代BeO,无环保毒性问题;载流量大,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;热阻低,10×10mm陶瓷基板的热阻0.63mm厚度陶瓷基片的热阻为0.31K/W ,0.38mm厚度陶瓷基片的热阻为0.19K/W,0.25mm厚度陶瓷基片的热阻为0.14K/W。 绝缘耐压高,保障人身安全和设备的防护能力。 可以实现新的封装和组装方法,使产品高度集成,体积缩小。
  性能要求
  (1)机械性质
  有足够高的机械强度,除搭载元件外,也能作为支持构件使用;加工性好,尺寸精度高;容易实现多层化;表面光滑,无翘曲、弯曲、微裂纹等。(2)电学性质
缘电阻及绝缘破坏电压高;介电常数低;介电损耗小;在温度高、湿度大的条件下性能稳定,确保可靠性。(3)热学性质热导率高;热膨胀系数与相关材料匹配(特别是与Si的热膨胀系数要匹配);耐热性优良。(4)其它性质化学稳定性好;容易金属化,电路图形与其附着力强;无吸湿性;耐油、耐化学药品;a射线放出量小;所采用的物质无公害、无毒性;在使用温度范围 内晶体结构不变化;原材料丰富;技术成熟;制造容易;价格低。用途: 大功率电力半导体模块;半导体致冷器、电子加热器;射频功率控制电路,功率混合电路。智能功率组件;高频开关电源,固态继电器。汽车电子,航天航空及军用电子组件。太阳能电池板组件;电讯专用交换机,接收系统;激光等工业电子。
  趋势
  陶瓷基板产品问世,开启散热应用行业的发展,由于陶瓷基板散热特色,加上陶瓷基板具有高散热、低热阻、寿命长、耐电压等优点,随着生产技术、设备的改良,产品价格加速合理化,进而扩大LED产业的应用领域,如家电产品的指示灯、汽车车灯、路灯及户外大型看板等。陶瓷基板的开发成功,更将成为室内照明和户外亮化产品提供服务,使LED产业未来的市场领域更宽广。