陶瓷覆铜基板具有优异的导热性、绝缘性、机械性能,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,本文主要介绍了陶瓷基板的研究、生产、应用的现状及今后的发展方向。
1、 树脂复合材料和陶瓷材料的比较
PCB板基材尤其是环氧树脂,由于比较好的经济性,在整个电子市场的占据统治地位,但是许多特殊领域比如高温、线胀系数不匹配、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有机溴化物也无济于事。
相对于树脂复合材料,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,价格便宜,适用于各种各样的技术制造以及不同的形状要求。
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优点:一个是高的热导率,一个是与Si相匹配的膨胀系数。缺点是AlN陶瓷材料本身的机械强度较差。只有对材料和工艺进行针对性深度开发,才能制造出可靠性(耐高低温冲击性能)优异的AlN陶瓷覆铜基板。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,但性价比来讲,AlN还是高出许多,因为Al2O3(96%)的导热率只有29W/M*K(25℃),而AlN热导率高达180W/M*K(25℃)。因此,对于即将兴起和快速发展的物联网、人工智能、5G、电力电子、轨道交通、新能源汽车等行业所需要的大功率电子器件,特别是大功率IGBT模块,它们需求性能更好、散热要求更高的新技术和新材料,那么具有高导热性能、高可靠性的氮化铝陶瓷基板必将成为首选材料。
3、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、AMB五种。其中HTCC,高温共烧多层陶瓷基板,属于较早起发展的技术,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,这些因素促使LTCC的发展,LTCC,低温共烧多层陶瓷基板,虽然将共烧温度降至约850℃,但缺点是尺寸精确度、产品强度不易控制。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与铜交界面之间的微气孔问题,这使得该产品的量产能量与良率受到较大的挑战,直接影响覆铜基板的导热性能和可靠性能(耐高低温冲击性能)。而DPC技术则是直接镀铜技术,将Cu沉积于Al2O3基板之上,其工艺结合材料与薄膜工艺技术,起产品为近年最普遍使用的陶瓷散热基板。但是受限于工艺特性,其铜片剥离强度和可靠性(耐高低温冲击性能)却不十分理想,只能应用于低功率的电子器件。
我们推出的高可靠性(Hi-Rel)氮化硅、氮化铝陶瓷覆铜基板产品,是区别于,并优于DBC(陶瓷与铜直接键合技术)的一项开创性技术。关键技术在于:活性金属层,实现了无机陶瓷材料与高纯无氧铜的致密焊接,具有高抗剥离强度(>15N/mm),高耐热冲击性能。所有产品验证阶段,都经过了最严格的国军标GJB548B-2005-1010(条件C,-65℃↔+150℃)冷热循环测试。产品性能达到了国际同类产品前列。
公司高性能陶瓷基板具体具有以下特性:
1、更高的可靠性(耐高低温冲击性能)
2、更匹配的热膨胀系数.
3、更薄(<25μm)、更牢、更低阻的活性金属焊接层
4、使用温度范围宽(-55-800℃)
5、绝缘性好(陶瓷击穿强度>15KV/mm)
6、高频损耗小
7、不含有机成分,耐宇宙射线,在航空航天方面可靠性高,使用寿命长
8、采用进口高纯无氧铜,氧含量<0.003%,杂质含量<0.03%,更好的载流导热性能
9、基板的可焊性好
10、通过对铜线路表面进行的特殊处理,可以满铝线超声键合的工艺及强度要求。