Anzahl Durchsuchen:0 Autor:Veröffentlichungsdatum 2017, 31(S2), 277-281 veröffentlichen Zeit: 2025-02-13 Herkunft:秦典成; 李保忠; 肖永龙; 张军杰
Zusammenfassung: Das Wärmeableitungssubstrat ist ein wichtiger Kanal für die Wärmeableitung leistungsstarker elektronischer Komponenten, und seine Wärmeleitfähigkeit wirkt sich direkt auf die Zuverlässigkeit und Lebensdauer elektronischer Leistungskomponenten aus. In diesem Artikel werden das technische Schema und der Entwicklungsstand der Oberflächenmetallisierung von Keramik als wärmeableitendes Substratmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit detailliert vorgestellt, die wichtigsten technischen Schwierigkeiten verschiedener Metallisierungsschemata hervorgehoben, die Eigenschaften und Leistungsunterschiede verschiedener wärmeableitender Keramikverpackungssubstrate verglichen und analysiert und auf dieser Grundlage der Entwicklungstrend von Keramiksubstraten prognostiziert.
Das Problem der Wärmeableitung ist nach und nach zu einem Engpass geworden, der die Entwicklung leistungselektronischer Produkte in Richtung hoher Leistung und Licht einschränkt. Die kontinuierliche Ansammlung von Wärme in den leistungselektronischen Komponenten führt zu einem allmählichen Anstieg der Chip-Verbindungstemperatur und zu thermischer Belastung, was zu einer Reihe von Zuverlässigkeitsproblemen wie verkürzter Lebensdauer und Farbtemperaturänderungen führt. Bei der Verpackungsanwendung von leistungselektronischen Bauteilen übernimmt das Kühlsubstrat nicht nur die Funktionen der elektrischen Verbindung und mechanischen Halterung, sondern ist auch ein wichtiger Kanal für die Wärmeübertragung. Für leistungselektronische Geräte sollte das Verpackungssubstrat eine hohe Wärmeleitfähigkeit, Isolierung und Hitzebeständigkeit sowie eine hohe Festigkeit und einen zum Chip passenden Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Derzeit sind die häufigsten Wärmeableitungssubstrate auf dem Markt hauptsächlich Metallsubstrate (MCPCB) und Keramiksubstrate. Aufgrund der extrem geringen Wärmeleitfähigkeit der Wärmedämmschicht ist es immer schwieriger geworden, MCPCB an die Entwicklungsanforderungen leistungselektronischer Komponenten anzupassen. Keramiksubstrat ist ein aufstrebendes Wärmeableitungsmaterial, dessen umfassende Leistung wie Wärmeleitfähigkeit und Isolierung von gewöhnlichem MCPCB nicht erreicht wird, und die Oberflächenmetallisierung des Keramiksubstrats ist eine wichtige Voraussetzung für die Bestimmung seiner praktischen Anwendung.
In diesem Artikel werden die Technologie und der Forschungsstand der Oberflächenmetallisierung von Keramiksubstraten ausführlich vorgestellt, das Prinzip verschiedener Metallisierungsschemata beschrieben und die wichtigsten technischen Kontrollpunkte jedes Schemas aufgezeigt, um technische Referenzen für die Auswahl von LED-Keramikverpackungssubstraten vom Leistungstyp bereitzustellen.
Nach dem Sintern muss die Oberfläche des Keramiksubstrats metallisiert werden, und dann wird das Oberflächenmuster durch Bildübertragung erstellt, um die elektrische Verbindungsleistung des Keramiksubstrats zu erreichen. Die Oberflächenmetallisierung ist ein entscheidender Teil der Herstellung von Keramiksubstraten, da die Benetzungsfähigkeit des Metalls bei hohen Temperaturen auf der Keramikoberfläche die Bindungskraft zwischen dem Metall und der Keramik bestimmt und eine gute Bindungskraft eine wichtige Garantie für die Stabilität der LED-Verpackungsleistung ist.
Daher ist die Frage, wie eine Metallisierung auf Keramikoberflächen implementiert und die Bindungskraft zwischen ihnen verbessert werden kann, zum Fokus vieler wissenschaftlicher und technologischer Forscher geworden [4,5,6]. Gegenwärtig lassen sich die gängigen Metallisierungsverfahren auf Keramikoberflächen grob in mehrere Formen unterteilen, wie z. B. Co-Firing-Verfahren (HTCC und LTCC), Dickschichtverfahren (TFC), direkte Kupferanwendungsmethode (DBC), direkte Aluminiumanwendungsmethode (DBA) und Dünnschichtmethode (DPC) [7,8].
Gemeinsam gebrannte mehrschichtige Keramiksubstrate haben in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit erlangt, da sie viele Anforderungen integrierter Schaltkreise erfüllen können, indem passive Komponenten wie Signalleitungen und Mikrodrähte mithilfe der Dickschichttechnologie in die Substrate eingebettet werden [9].
Es gibt zwei Arten von Co-Firing-Methoden: das Hochtemperatur-Co-Firing (HTCC) und das Niedertemperatur-Co-Firing (LTCC). Der Prozessablauf beider ist im Grunde der gleiche. Der Hauptproduktionsprozess ist die Vorbereitung der Aufschlämmung, das Gießen des Streifens, das Trocknen des Rohlings, das Bohren von Durchgangslöchern, das Füllloch im Siebdruckverfahren, die Siebdrucklinie, das laminierte Sintern und das endgültige Schneiden sowie andere Nachbehandlungsprozesse. Aluminiumoxidpulver und organischer Klebstoff werden zu einer Aufschlämmung vermischt und anschließend mit einem Schaber zu Platten verarbeitet. Nach dem Trocknen entsteht ein keramischer Grünling [10]. Anschließend werden entsprechend den Konstruktionsanforderungen Pilotlöcher in den Rohling eingebracht und Metallpulver eingefüllt. Abschließend wird jede Schicht Rohling laminiert, gesintert und im Co-Firing-Ofen geformt. Obwohl der Prozess der beiden Co-Firing-Methoden ungefähr gleich ist, ist die Sintertemperatur sehr unterschiedlich. Die Mitbrenntemperatur von HTCC beträgt 1300–1600 °C, während die Sintertemperatur von LTCC 850–900 °C beträgt. Der Hauptgrund für diesen Unterschied besteht darin, dass LTCC-Sinteraufschlämmung hinzugefügt wird, um die Sintertemperatur des Glasmaterials zu senken, was in der mitgebrannten HTCC-Aufschlämmung nicht enthalten ist. Obwohl das Glasmaterial die Sintertemperatur senken kann, kann die Wärmeleitfähigkeit des Substrats deutlich verringert werden [11,12,13].
Mitgebranntes Keramiksubstrat bietet erhebliche Vorteile bei der Erhöhung der Bestückungsdichte, der Verkürzung der Verbindungslänge, der Reduzierung der Signalverzögerung, der Reduzierung des Volumens und der Verbesserung der Zuverlässigkeit. Die üblichere Anwendung von gemeinsam gebrannten Substraten besteht darin, eine Vielzahl passiver Bauelemente beim Sintern von Keramikpasten zu vergraben, dreidimensional integrierte und nicht störende Schaltkreise mit hoher Dichte herzustellen, ICs und aktive Bauelemente auf ihrer Oberfläche zu montieren, ein erfolgreiches integriertes Modul herzustellen, die Schaltungsstruktur weiter zu reduzieren und die Integrationsdichte zu verbessern, was insbesondere für Hochfrequenz-Kommunikationskomponenten geeignet ist [13]. Da HTCC und LTCC jedoch beide Siebdruck verwenden, um die Grafikproduktion abzuschließen, werden die Maßhaltigkeit und die Oberflächenrauheit der Grafiken stark durch den Druckprozess beeinflusst. Gleichzeitig kann der Laminierungsprozess auch leicht dazu führen, dass die Grafikausrichtung nicht genau ist, was zu einer übermäßigen Anhäufung von Toleranzen führt. Darüber hinaus neigt der Rohling während des Sinterprozesses zu einer ungleichmäßigen Schrumpfung, was die Anwendung des Co-Firing-Verfahrens stark einschränkt [14,15].
Die Dickschichtmethode bezieht sich auf die Methode des Siebdrucks. Die leitfähige Paste wird direkt auf die Keramikmatrix aufgetragen und dann bei hoher Temperatur gesintert, um die Metallschicht fest mit der Keramikmatrix zu verbinden. Die Auswahl der Dickschichtleiterpaste ist ein entscheidender Faktor bei der Bestimmung des Dickschichtprozesses, der aus einer funktionellen Phase (d. h. einem Metallpulver mit einer Partikelgröße von weniger als 2 μm), einer Bindungsphase (Binder) und einem organischen Träger besteht. Zu den gängigen Metallpulvern gehören Au, Pt, Au/Pt, Au/Pd, Ag, Ag/Pt, Ag/Pd, Cu, Ni, Al und W, wobei Ag-, Ag/Pd- und Cu-Aufschlämmungen die Mehrheit ausmachen [16]. Das Bindemittel ist im Allgemeinen ein Glasmaterial oder Metalloxid oder eine Mischung aus beiden. Seine Aufgabe besteht darin, Keramik und Metall zu verbinden und die Haftung der Dickschichtaufschlämmung an der Matrixkeramik zu bestimmen, was der Schlüssel zur Herstellung von Dickschichtaufschlämmung ist. Die Funktion des organischen Trägers besteht hauptsächlich darin, die funktionelle Phase zu dispergieren und zu binden und gleichzeitig eine bestimmte Viskosität der Dickfilmaufschlämmung aufrechtzuerhalten, um sie für den anschließenden Siebdruck vorzubereiten, der während des Sinterprozesses allmählich verdampft [17].
Gegenwärtig ist die Forschung an elektronischen Dickschichtpasten aus Aluminiumoxid ausgereift, während elektronische Dickschichtpasten aus Aluminiumnitrid noch viel Raum für Entwicklung haben, was auf die unbefriedigende Benetzbarkeit der meisten Metalle gegenüber Aluminiumnitridkeramiken zurückzuführen ist [17]. Um die Bindungskraft zwischen Metall und Aluminiumnitridkeramik im Prozess der Dickschichtherstellung zu verbessern, gibt es zwei gängige Methoden. Eine besteht darin, Glasmaterial als Verbindungsphase zu verwenden, um eine mechanische Verbindung zwischen der Metallschicht und der AlN-Schicht zu erreichen. Die zweite besteht darin, eine Substanz hinzuzufügen, die mit AlN als Bindungsphase reagieren kann, und durch Reaktion mit AlN eine chemische Bindung zu erreichen. Derzeit besteht die Hauptzusammensetzung der meisten Glasbindungssysteme aus Aluminiumnitrid-Aufschlämmungen aus SiO2-B2O3, da Silikatglas und Boratglas eine gute Benetzungswirkung auf Metall und Aluminiumnitrid haben. Darüber hinaus ist der Erweichungspunkt von Boratglas niedrig, was die Brenngeschwindigkeit verbessern und die Dichte nach dem Sintern erhöhen kann. Der niedrige Erweichungspunkt von Borat führt jedoch auch dazu, dass es weich wird, bevor die Sintertemperatur der Metallisierung erreicht wird, sodass die Metallschicht keine wirksame Netzwerkvernetzungsstruktur mit Aluminiumnitridkeramik bilden kann. Durch den Zusatz von Silikat kann dieses Problem wirksam gelöst werden. Gleichzeitig kann die Leistung der Glasphase weiter verbessert werden, indem der Glasphase eine entsprechende Menge an Alkali- und Erdalkalimetallen zugesetzt wird, da Alkali- oder Erdalkalimetalle das Glas differenzieren und die Viskosität des Glases verringern können. Im Allgemeinen wird mit zunehmender Menge an Alkali- oder Erdalkalimetall die Viskosität deutlich verringert, was zur Verbesserung der Fließfähigkeit der Aufschlämmung und zur Beschleunigung der Metallisierung und des Sinterns beiträgt. Zu den häufig verwendeten Alkali- oder Erdalkalimetallen gehören Li2O, Na2O, K2O, BaO und PdO usw. [18,19]. Darüber hinaus können einige Substanzen hinzugefügt werden, die mit Aluminiumnitrid unter Bildung neuer Phasen reagieren können, wie z. B. Cr2O3, PdO, ZnO usw., und die durch die neue Phase gebildete Reaktionsbindungskraft kann zur Verbesserung der Haftfestigkeit der Aufschlämmung nach der Metallisierung genutzt werden. Es wurde darauf hingewiesen, dass einige Erdalkalimetalloxide von Silizium und Bor sowie Oxide von Zirkonium, Eisen, Blei und Phosphor mit AlN unter Bildung neuer Substanzen reagieren können [20,21]. Beispielsweise kann bei der Verwendung der ZrB2-Bindungsphase aufgrund der Bildung einer neuen Phase Al2O3·B2O3 (Boralspinell) während des Reaktionsprozesses die Bindungskraft zwischen der metallisierten Schicht und der Aluminiumnitridkeramik bis zu 24 MPa betragen, und das während des Reaktionsprozesses erzeugte ZrO2 kann auch die Oxidation von AlN beschleunigen und so die Reaktion fördern.
Die Dicke der Metallschicht nach dem TFC-Sintern beträgt im Allgemeinen 10 bis 20 μm und die minimale Linienbreite beträgt 0,1 mm. Aufgrund der ausgereiften Technologie, des einfachen Prozesses und der geringen Kosten wurde TFC in LED-Verpackungen mit geringen Anforderungen an die grafische Genauigkeit verwendet. Gleichzeitig hat TFC einige Nachteile wie eine geringe grafische Genauigkeit (Fehler beträgt ±10 %), die Beschichtungsstabilität wird leicht durch die Gleichmäßigkeit der Aufschlämmung beeinträchtigt, eine schlechte Linienflachheit (über 3 μm) und die Haftung ist nicht leicht zu kontrollieren, sodass sein Anwendungsbereich begrenzt ist.
DBC ist eine Metallisierungsmethode zum Verbinden von Kupferfolie auf einer Keramikoberfläche (hauptsächlich Al2O3 und AlN). Dabei handelt es sich um einen neuen Prozess, der mit dem Aufkommen der Chip-on-Board-Gehäusetechnologie (COB) entwickelt wurde. Das Grundprinzip besteht darin, Sauerstoff zwischen Cu und Keramik einzuführen und dann bei 1065–1083 °C eine eutektische Flüssigphase von Cu/O zu bilden, dann mit Keramikmatrix und Kupferfolie zu CuAlO2 oder Cu(AlO2)2 zu reagieren und unter der Wirkung der Zwischenphase die Verbindung zwischen Kupferfolie und Matrix herzustellen. Da es sich bei Al N um eine nichtoxidische Keramik handelt, liegt der Schlüssel zur Beschichtung von Kupfer auf seiner Oberfläche in der Bildung einer Al2O3-Übergangsschicht auf seiner Oberfläche und in der Erzielung einer effektiven Bindung zwischen Kupferfolie und Matrixkeramik unter der Wirkung der Übergangsschicht [22].
Die Einführung von Sauerstoff ist ein sehr kritischer Schritt im DBC-Prozess. Oxidationszeit und Oxidationstemperatur sind dabei die beiden wichtigsten Parameter, die einen sehr wichtigen Einfluss auf die Bindungskraft zwischen Keramik und Kupferfolie nach dem Bonden haben. Wenn die Oxidationszeit und die Oxidationstemperatur festgelegt sind, muss die Al2O3-Matrix beim Bonden mit der Kupferfolie ohne Voroxidationsbehandlung behandelt werden, da Sauerstoff nur schwer in die Grenzfläche zwischen Kupferfolie und Keramiksubstrat eindringen kann, die flüssige Cu/O-Phase eine schlechte Benetzbarkeit auf dem Substrat aufweist und schließlich eine große Anzahl von Löchern und Defekten an der Grenzfläche zurückbleibt. Nachdem die Matrix voroxidiert ist, kann gleichzeitig mit der Beschichtung eine ausreichende Sauerstoffversorgung gewährleistet werden, so dass die Cu/O-Flüssigphase eine gute Benetzbarkeit auf der Keramikmatrix und der Kupferfolie aufweist, die Hohlräume und Defekte an den Grenzflächen deutlich reduziert werden und auch die Bindungskraft zwischen Kupferfolie und der Matrix fester ist. Da es sich bei AlN um eine starke kovalente Bindungsverbindung handelt, ist die Benetzbarkeit der flüssigen Cu/O-Phase schlecht. Wenn DBC-Kupfer auf seine Oberfläche aufgetragen wird, muss die Benetzbarkeit der Cu/O-Flüssigphase auf der Keramikmatrix durch Oberflächenmodifizierung verbessert werden, um die Bindungskraft von Kupferfolie und Matrix sicherzustellen. Gegenwärtig besteht die allgemeine Praxis darin, eine Voroxidation zu verwenden, um eine bestimmte Dicke, gleichmäßige Verteilung und dichte Struktur des Al2O3-Films auf der Oberfläche von AlN zu bilden. Aufgrund der Diskrepanz zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Aluminiumoxidfilms und der Aluminiumnitusematrix kann sich die Bindungskraft der Zweiphasengrenzfläche aufgrund der vorhandenen inneren Spannung bei Raumtemperatur verschlechtern, sodass die Qualität des Films der Schlüssel zum Erfolg der nachfolgenden Beschichtung ist. Um eine effektive Kombination beider zu erreichen, ist es im Allgemeinen notwendig, die innere Spannung zwischen den AlN- und Al2O3-Phasen zu reduzieren, indem die Dicke des Films so weit wie möglich reduziert wird, unter der Voraussetzung, dass die Dichte des Oxidfilms sichergestellt wird. Jing Min et al. [23] führten eine systematische Studie zum DBC-Prozess durch und erhielten durch Aufrauen der Keramikoberfläche mit geschmolzenem NaOH ein DBC-Keramiksubstrat mit einer Schälfestigkeit über 6,5 N/mm und einer Wärmeleitfähigkeit von 11,86 W/(m·K). Xie Jianjun et al. [24] stellten Cu/Al2O3- und Cu/AlN-Verbundkeramiksubstratmaterialien mit DBC-Technologie her. Die Bindungsfestigkeit zwischen Kupferfolie und AlN-Keramiksubstrat überstieg 8,00 N/mm, und zwischen Kupferfolie und AlN-Keramik befand sich eine Übergangsschicht mit einer Dicke von etwa 2 μm. Seine Bestandteile sind hauptsächlich Al2O3-, CuAlO2- und Cu2O-Verbindungen, und die Grenzflächenbindungsstärke von Cu/AlN nimmt mit zunehmender Bindungstemperatur allmählich zu. AKara-Slimane et al. [25] verwendeten das DBC-Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumnitrid-Keramiksubstrats unter Vakuumbedingungen, wobei die Temperatur 1000 °C und der Druck 4–12 MPa betrugen und die Schälfestigkeit bis zu 32 MPa betrug.
Kupferfolie weist eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit auf, und Aluminiumoxid verfügt nicht nur über eine gute Wärmeleitfähigkeit, starke Isolierung und hohe Zuverlässigkeit, sondern kann auch die Ausdehnung des CuAl2O3-Cu-Komplexes wirksam steuern, sodass das DBC-Keramiksubstrat einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Aluminiumoxid aufweist. Es wird häufig im Wärmemanagement von IGBT-, LD- und CPV-Gehäusen eingesetzt. Da DBC-heißgepresste Kupferfolien im Allgemeinen dicker sind (100 bis 600 μm), verfügen sie über eine hohe Stromtragfähigkeit und bieten offensichtliche Vorteile im Bereich der IGBT- und LD-Verpackung [26].
Obwohl DBC in der praktischen technischen Anwendung viele Vorteile bietet, weist es auch die folgenden Nachteile auf: (1) Der DBC-Prozess erfordert die Einführung von Sauerstoffelementen unter Hochtemperaturbedingungen, um eine eutektische Reaktion von Cu und Al2O3 durchzuführen, was eine umfangreiche Ausrüstung und Prozesskontrolle erfordert und die Substratproduktionskosten hoch ist; (2) Zwischen den Al2O3- und Cu-Schichten entstehen leicht Mikroporen, die die Thermoschockbeständigkeit des Substrats beeinträchtigen. (3) Die Dicke der oberflächengebundenen DBC-Kupferfolie beträgt im Allgemeinen mehr als 100 μm, und die minimale Linienbreite des Oberflächenmusters beträgt im Allgemeinen mehr als 100 μm, was für die Herstellung feiner Linien nicht geeignet ist.
Die direkte Aluminiumbeschichtungsmethode besteht darin, Aluminium im flüssigen Zustand der Keramik zu verwenden und eine gute Benetzbarkeit zu erreichen, um die Anwendung beider zu erreichen. Wenn die Temperatur über 660 °C ansteigt, verflüssigt sich das feste Aluminium. Wenn das flüssige Aluminium die Keramikoberfläche benetzt, gelangt das Aluminium bei sinkender Temperatur direkt auf der Keramikoberfläche durch das Kristallisationswachstum der Kristallkeime und kühlt auf Raumtemperatur ab, um die Kombination beider zu erreichen. Da Aluminium aktiver ist, oxidiert der Al2O3-Film unter Hochtemperaturbedingungen leicht und befindet sich auf der Oberfläche von flüssigem Aluminium, wodurch die Benetzbarkeit von flüssigem Aluminium auf der Keramikoberfläche erheblich verringert wird, was die Anwendung erschwert und daher vor der Anwendung oder vor der Anwendung unter sauerstofffreien Bedingungen entfernt werden muss. Peng Rong et al. [23,27] nutzten das Graphitdruckgussverfahren, um reines flüssiges Aluminium durch Druck auf die Oberfläche des Al2O3-Substrats und des AlN-Substrats aufzutragen, wobei der Al2O3-Film aufgrund mangelnder Fließfähigkeit im Formhohlraum verblieb. Nach dem Abkühlen wurde das DAB-Substrat mit einer Schallbeschichtung versehen.
Da die Benetzbarkeit von flüssigem Aluminium auf Keramikoberflächen der Schlüssel zum Erfolg oder Misserfolg von DAB ist, haben Wissenschaftler im In- und Ausland zahlreiche Forschungsarbeiten zur Benetzbarkeit durchgeführt. Als KaraSlimane[25] Aluminium als Zwischenschicht zum Verbinden von Al N/Al/Fe verwendete, wies er darauf hin, dass während des Beschichtungsprozesses ein bestimmter Druck ausgeübt werden muss, um die auf der Oberfläche von flüssigem Aluminium erscheinende Al2O3-Schicht aufzubrechen und so eine effektive Beschichtung von Aluminium mit Aluminiumnitrid und Eisen zu realisieren. Bei der obigen Überlegung handelt es sich um die physikalische Beschichtung, d. h. es findet keine chemische Reaktion an der Grenzfläche zwischen Aluminium und Keramik statt, sodass die Bindungsstärke zwischen Aluminium und Keramik von der mechanischen Verriegelungskooperation abhängt, die durch die Zunahme der Rauheit zwischen den beiden verursacht wird, und die Bindungskraft im Vergleich zu DBC relativ gering ist. Die Kombination beider erzeugt jedoch keine zweite Phase und bietet im Vergleich zu DBC den Vorteil einer geringen Grenzflächenspannung und einer hohen Grenzflächenwärmeleitfähigkeit. Vor der Beschichtung von Aluminium ist die Oberflächenbehandlung von Keramik zur Erhöhung der Festigkeit der Beschichtung ein ganz entscheidender Prozessknoten.
Imai[28] stellte fest, dass die Oberflächenrauheit des Keramiksubstrats die Beschichtungsleistung stark beeinflusst und die Aufrechterhaltung einer bestimmten Rauheit eine notwendige Voraussetzung für die Verbesserung der Beschichtungsfestigkeit ist. Daher ist die Behandlung des Keramiksubstrats zur Veränderung seiner Rauheit der Schlüssel zur Verbesserung der Haftfestigkeit zwischen Aluminium und Keramik. Lin et al. [29] untersuchten die Verbindungstemperatur und die Eigenschaften von Al2O3/Al/Al2O3 und stellten ein DAB-Substrat mit hoher Verbindungsfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit von 32 W/(m·K) bei 1100℃ her. Jing Min et al. [23] bildeten zunächst eine stabile Cu-Al2O4-Phase durch Sintern von Cu2O auf dem Al2O3-Substrat, und auf der Oberfläche des Substrats wurde durch H2-Reduktion bei 1.000 °C ein Kupferfilm gebildet. Schließlich wurde der Kontakt zwischen Sauerstoff und metallischem Aluminium durch aktives metallisches Magnesium und Tonerschutz in einer Vakuumumgebung isoliert. Ein DAB-Keramiksubstrat mit einer Al/Al2O3-Bindungsfestigkeit von bis zu 11,9 MPa wurde durch eutektische Beschichtung bei 760 °C hergestellt.
Das DAB-Keramiksubstrat weist eine gute thermische Stabilität auf, die Masse kann im Vergleich zu DBC mit der gleichen Struktur um 44 % reduziert werden, die Fähigkeit zum Aluminiumdrahtbonden ist gut, die thermische Spannung zwischen Aluminium/Keramik ist relativ gering und sie hat sich in den letzten Jahren rasant entwickelt. Das Al2O3-DAB-Substrat und das AlN-DAB-Substrat verfügen über hervorragende Wärmeleitfähigkeitseigenschaften, eine gute Thermoschock-Ermüdungsbeständigkeit, eine ausgezeichnete thermische Stabilität, ein geringes Strukturgewicht und eine gute Fähigkeit zum Aluminiumdrahtbonden. Das auf dem DAB-Substrat basierende Leistungsgerätemodul wurde erfolgreich in der japanischen Automobilindustrie eingesetzt. Derzeit wird im In- und Ausland viel zur DAB-Technologie geforscht, die Forschung zu den Details der Aluminium/Keramik-Schnittstelle ist jedoch nicht tiefgreifend genug [4]. Aufgrund strenger Beschränkungen des Sauerstoffgehalts stellt DAB höhere Anforderungen an die Ausrüstung und Prozesskontrolle und die Substratproduktionskosten sind höher. Und die Dicke von oberflächengebundenem Aluminium beträgt im Allgemeinen mehr als 100 μm, was für die Herstellung feiner Linien nicht geeignet ist und seine Förderung und Anwendung daher begrenzt sind.
Das Dünnschichtverfahren ist ein Prozess, bei dem die Metallschicht auf der Keramikoberfläche durch physikalische Dampfabscheidung (Vakuumverdampfung, Magnetronsputtern usw.) gebildet wird und anschließend die Metallschaltkreisschicht durch Maske und Ätzen gebildet wird. Unter diesen ist die physikalische Gasphasenabscheidung das gebräuchlichste Verfahren zur Folienherstellung [30].
Bei der physikalischen Gasphasenabscheidung wird auf der Keramikoberfläche durch Verdampfen oder Sputtern eine Schicht aus einem 3–5 μm dicken Metallfilm als leitende Schicht des Keramiksubstrats gebildet. Die Grenzflächenbindungsfestigkeit ist der technische Engpass des DPC-Substrats, da die Kupferschicht und die Keramikschicht durch thermische Zyklen versagen. Die Bindungskraft von Keramik und Metallfilm, die Schweißleistung von Metallfilm und Chip sowie die Leitfähigkeit des Metallfilms selbst sind drei wichtige Indikatoren zur Messung der Qualität des Films. Die Bindungskraft zwischen dem Metallfilm und dem Aluminiumnitrid bestimmt die Durchführbarkeit und Zuverlässigkeit des Keramiksubstrats des Filmprozesses, während die Bindungskraft durch die Van-der-Waals-Kraft, die chemische Bindungskraft, die Diffusionshaftung, die mechanische Verriegelung, die elektrostatische Anziehung und die innere Spannung des Films selbst beeinflusst wird, wobei Diffusionshaftung und chemische Bindungskraft die Hauptfaktoren sind. Daher ist es notwendig, Al, Cr, Ti, Ni, Cu und andere Metalle mit hoher Aktivität und guter Diffusionsleistung als Übergangsschicht auszuwählen. Die leitfähige Schicht übernimmt die Funktionen der elektrischen Verbindung und des Schweißens. Daher müssen Metallmaterialien wie Au, Cu und Ag mit niedrigem spezifischem Widerstand, hoher Temperaturbeständigkeit, stabilen chemischen Eigenschaften und kleinem Diffusionskoeffizienten ausgewählt werden [31]. Zhang Xuebin [32] untersuchte den Herstellungsprozess von DPC-Keramiksubstraten und die Ergebnisse zeigten, dass die Bindungsfestigkeit durch die Verwendung einer W/Ti-Legierung als Übergangsschicht verbessert werden konnte. Bei einer Übergangsschichtdicke von 200 nm betrug die Bindungsfestigkeit des vorbereiteten dünnen Al2O3-Keramiksubstrats mehr als 97,2 N. Darüber hinaus haben einige Wissenschaftler neben der Herstellung dünner Filme durch physikalische Gasphasenabscheidung auch durch stromloses Plattieren dünne Kupferfilme auf der Oberfläche von Keramik erhalten. Xue Shengjie et al. [13] von der Universität Chongqing nutzten die stromlose Beschichtungsmethode, um verschiedene Prozessparameter zu optimieren. Es wurde ein AlN-Dünnfilm-Keramiksubstrat mit einer Bindungskraft von 18,45 N, einer Leitfähigkeit von 2,65×10^6 S/m, einer Abscheidungsrate von 0,026 g/ (s·cm2) und einer Wärmeleitfähigkeit von 147,29 W/ (m·K) hergestellt.
Im Vergleich zu anderen keramischen Oberflächenmetallisierungsverfahren weist das DPC-Verfahren eine niedrige Betriebstemperatur auf, die im Allgemeinen unter 300 °C liegt, was die Herstellungsprozesskosten senkt und die nachteiligen Auswirkungen hoher Temperaturen auf das Material wirksam vermeidet. Das DPC-Substrat verwendet die Huang Guangying-Technologie zur Herstellung von Grafikschaltungen. Die Linienbreite kann auf 20 bis 30 μm eingestellt werden, die Oberflächenebenheit kann 3 μm oder weniger erreichen und der Grafikgenauigkeitsfehler kann innerhalb von ± 1 % gesteuert werden, was sich sehr gut für die Verpackung elektronischer Geräte mit hohen Anforderungen an die Schaltungsgenauigkeit eignet. Insbesondere können die Ober- und Unterseite des Keramiksubstrats nach dem Schneiden von Löchern und dem Füllen von Kupferdurchgangslöchern des DPC-Substrats per Laser miteinander verbunden werden, wodurch die dreidimensionalen Verpackungsanforderungen elektronischer Geräte erfüllt werden. DPC reduziert nicht nur das Paketvolumen, sondern verbessert auch effektiv die Paketintegration. Obwohl das DPC-Keramiksubstrat die oben genannten Vorteile aufweist, weist es auch einige Nachteile auf, wie z. B. eine begrenzte Dicke der galvanisch abgeschiedenen Kupferschicht, eine große Verschmutzung durch Galvanisierungsabfälle, eine geringe Bindungsstärke zwischen Metallschicht und Keramik und eine geringe Zuverlässigkeit bei der Produktanwendung.
Zusätzlich zur elektrischen Anschluss- und Wärmeableitungsfunktion muss das Wärmeableitungssubstrat für elektronische Verpackungen vom Leistungstyp auch eine bestimmte Isolierung, Wärmebeständigkeit, Druckbeständigkeit und Wärmeanpassungsleistung aufweisen. Da Keramiksubstrate über ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit und Isolationseigenschaften verfügen, bietet es herausragende Vorteile bei der Verpackungsanwendung von leistungselektronischen Komponenten und ist eine der Hauptentwicklungsrichtungen für Kühlsubstrate für leistungselektronische Verpackungen in der Zukunft [33]. Die Hauptmerkmale der LTCC-, HTCC-, TFC-, DBC-, DBA- und DPC-Prozesskeramiksubstrate sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1 Hauptmerkmale und Leistungsvergleich verschiedener Keramiksubstrate
Bisher haben Cree, Osram, Philips und Nichia sowie andere internationale Spitzenhersteller sowie inländische Unternehmen wie Jiangxi Jingrui, Yimei Xinguang, Hucheng Technology, Foshan Guoxing, Shenzhen Ruifeng, Guangzhou Hongli, Ningbo Shengpu und andere in Keramik verpackte Leistungselektronikprodukte auf den Markt gebracht. Aufgrund der technischen Möglichkeiten sind die Herstellungskosten für Keramiksubstrate derzeit noch hoch. Es kann jedoch vorhergesagt werden, dass mit dem kontinuierlichen Durchbruch technischer Engpässe und der kontinuierlichen Verbesserung der Gehäuseintegration die Marktakzeptanz von Keramiksubstraten zunehmend verbessert wird und die Leistungselektronikprodukte, die Keramik als Verpackungssubstrate verwenden, immer reichhaltiger werden.
Keramiksubstrate haben einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, gute Wärmeleitfähigkeit und Isolationseigenschaften und gelten in der Branche als das vielversprechendste Substratmaterial zur Wärmeableitung. In einigen Fällen ersetzt es nach und nach Metallsubstrate und wird zur bevorzugten Wärmemanagementlösung für die Wärmeableitung leistungsstarker elektronischer Komponenten [34].
Wie oben erwähnt, umfasst die Technologie zur Herstellung von Keramiksubstraten, die derzeit für die Verpackung von Hochleistungselektronikkomponenten eingesetzt wird, insgesamt sechs Arten von HTCC, LTCC, TFC, DBC, DAB und DPC. Das Metallpulver im HTCC-Prozess besteht hauptsächlich aus Wolfram, Molybdän, Mangan und anderen Metallen mit hohem Schmelzpunkt, aber schlechter elektrischer Leitfähigkeit. Die Produktionskosten sind hoch, sodass es im Allgemeinen weniger verwendet wird. Aufgrund der Zugabe von Glasmaterialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit zur Aufschlämmung beträgt die Wärmeleitfähigkeit des LTCC-Prozesses nur 2 bis 3 W/(m·K). Im Vergleich zu gewöhnlichem MCPCB sind die Vorteile nicht offensichtlich. Gleichzeitig werden die Liniengrafiken von HTCC und LTCC mithilfe der Dickschichttechnologie (TFC) hergestellt, die die Nachteile einer rauen Oberfläche und einer ungenauen Ausrichtung aufweist. Darüber hinaus besteht beim Sinterprozess auch das Problem der inkonsistenten Schrumpfung von Keramikgrünlingen, wodurch die Prozessauflösung von gemeinsam gebrannten Keramiken bis zu einem gewissen Grad eingeschränkt wird und auch die Popularisierung und Anwendung vor großen Herausforderungen steht.
Aufgrund der schlechten Benetzbarkeit von Kupfer in flüssiger Phase auf der Keramikoberfläche im DBC-Verfahren müssen Sauerstoffelemente unter Hochtemperaturbedingungen eingeführt werden, um die Beschichtung von Kupferfolie und Matrixkeramik zu erreichen, und es entstehen leicht Mikroporen auf der Grenzflächenoberfläche, die hohe Anforderungen an Ausrüstung und Technik stellt und immer noch im Mittelpunkt der Forschung in- und ausländischer Forscher steht. Das Aluminium im DAB-Verfahren oxidiert bei hohen Temperaturen leicht, was sich auf die Benetzbarkeit des flüssigen Aluminiums auf der Keramikoberfläche auswirkt, und die Anwendung muss unter sauerstofffreien Bedingungen durchgeführt werden, sodass auch die Anforderungen an Ausrüstung und Technologie relativ hoch sind und eine groß angelegte Industrialisierung derzeit nicht realisiert wurde. Derzeit verfügen westliche Industrieländer, Japan und Südkorea über DBC- und DAB-Technologie und Marktvorteile. Einige wissenschaftliche Forschungseinrichtungen in China haben auch einige Forschungsarbeiten zu DBC und DAB durchgeführt und bestimmte technische Durchbrüche erzielt, aber es besteht immer noch eine gewisse Lücke im Vergleich zum internationalen fortgeschrittenen Niveau. Produkte werden hauptsächlich in IGBT- (Bipolardioden mit isoliertem Gate) und LD- (Laserdioden) und anderen Leistungsgeräteverpackungen verwendet. Aufgrund der dicken leitfähigen Schicht von DBC und DAB sind die Vorteile der beiden für LED-Verpackungen verwendeten Substrate nicht offensichtlich.
Das DPC-Verfahren löst das Problem der schlechten Benetzbarkeit der Kupferfolie auf der Keramikoberfläche durch die Einführung von Übergangsschichtmetall auf der Keramikoberfläche und realisiert erfolgreich die Metallisierung der Keramikoberfläche unter der Voraussetzung, dass die Bindungskraft zwischen der leitenden Schicht und dem Keramiksubstrat sichergestellt wird. Das DPC-Keramiksubstrat verfügt nicht nur über eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit, sondern auch über eine hohe Liniengenauigkeit und Oberflächenglätte, was sich sehr gut für LED-Verkleidungen und eutektische Prozess-LED-Verpackungen eignet. Es hat eine Industrialisierung im Hinblick auf den Produktionsmaßstab erreicht und ist derzeit am besten in der Lage, die Anforderungen von LEDs an hohe Leistung, hohe Lichtdichte und geringe Größe zu erfüllen. Entwicklungsrichtung von Kühlsubstraten für keramische Verpackungen. Derzeit hat Chinas Region Taiwan eine Monopolstellung bei der DPC-Kerntechnologie, die 80 % des weltweiten Produktmarktanteils ausmacht, und ist der Hauptlieferant von keramischen Kühlsubstraten für Giganten der Halbleiterbeleuchtungsindustrie wie Cree, Lumileds und Osram in Deutschland. Mit der kontinuierlichen Zunahme der Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen hat heutzutage auch die DPC-Substrattechnologie auf dem Festland Durchbrüche erzielt, die bis zu einem gewissen Grad auch den Anforderungen von Hochleistungs-LED-Verpackungen an die Wärmeableitung gerecht werden können.
Vor dem Hintergrund des kontinuierlichen Durchbruchs bei Engpässen in der Herstellungsprozesstechnologie ist die Sprödigkeit von Keramiksubstraten eine unbestreitbare Tatsache. Wie man seine hervorragende Wärmeleitfähigkeit nutzen kann, um Wärmeableitungsmanagementlösungen für die sich schnell entwickelnde LED-Industrie bereitzustellen, und die Vermeidung von Rissen aufgrund übermäßiger Sprödigkeit im Produktions- und Nutzungsprozess ist ebenfalls ein praktisches Problem, das nicht ignoriert werden kann. Lejian Technology (Zhuhai) Co., Ltd. verwendet Laserschneiden oder Schleifscheibenschneiden, um große Keramikstücke in eine Reihe kleiner Stücke zu schneiden und diese selektiv in die FR4-Struktur zu implantieren, wobei das Pressverfahren verwendet wird, um die Keramik und FR4 miteinander zu verbinden, um eine wärmeableitende Verbundstruktur zu bilden. Unter anderem fungiert die Keramik als Wärmeableitungskanal des Chips, so dass die von den elektronischen Bauteilen während des Arbeitsprozesses erzeugte Wärme entlang der Keramik schnell an die Außenwelt abgeleitet werden kann, um die Zuverlässigkeit der Komponenten aufgrund einer schlechten Wärmeableitung zu vermeiden, was zu einem Risiko eines vorzeitigen Ausfalls führt, wie in Abbildung 1 und Abbildung 2 dargestellt. Dieses Design behält nicht nur die Wärmeableitungsfunktion von Keramik bei, sondern löst auch das Problem zerbrechlicher Keramik. Gleichzeitig kann eine Bearbeitung auf FR4 erreicht werden, was die hohen Kosten für das Schneiden reiner Keramik erheblich reduziert. Derzeit wird diese Art von Verbundsubstratmaterial in gewissem Umfang in den Bereichen Hochleistungs-LED und IGBT eingesetzt.
Die Wärmeableitung ist ein zentrales technisches Problem bei der Entwicklung leistungselektronischer Komponenten. Angesichts der hohen Leistung, der geringen Größe und des geringen Gewichts ist der zukünftige Entwicklungstrend für die Verpackung leistungselektronischer Komponenten ein Keramiksubstrat geworden, das neben hervorragenden Wärmeleitfähigkeitseigenschaften auch eine gute Isolierung, Wärmebeständigkeit, Druckbeständigkeit und eine gute thermische Anpassungsleistung an den Chip aufweist und zur ersten Wahl für die Wärmeableitung der Verpackung elektronischer Komponenten mittlerer und hoher Leistungsklasse geworden ist. Der Metallisierungsprozess der Keramiksubstratoberfläche ist ein wichtiges Bindeglied, um den Einsatz von Keramik bei der Verpackung leistungselektronischer Komponenten zu realisieren. Die Metallisierungsmethode bestimmt die Leistung, die Herstellungskosten, die Produktausbeute und den Anwendungsbereich des Keramiksubstrats.
1.Wofür werden Keramiksubstrate verwendet?
Keramiksubstrate mit hervorragenden Wärmeleitfähigkeits- und Isolationseigenschaften werden hauptsächlich als wärmeableitende Verpackungssubstrate für elektronische Hochleistungskomponenten, LEDs, IGBTs und Laserdioden (LDs) verwendet und übernehmen die Funktionen der elektrischen Verbindung, der mechanischen Unterstützung und der Wärmeübertragung.
2.Können Keramiksubstrate oberflächenmetallisiert werden?
Ja. Die Oberflächenmetallisierung ist eine Voraussetzung für die technische Anwendung keramischer Substrate. Zu den gängigen Prozessen gehören das Co-Firing-Verfahren (HTCC/LTCC), das Dickschichtverfahren (TFC), Direct Bonded Copper (DBC), Direct Bonded Aluminium (DAB), Direct Platted Copper (DPC) usw. Die Metallschicht ermöglicht die elektrische Leitfähigkeit und Lötbarkeit von Keramik.
3. Wie ist der aktuelle Forschungsstand zur Oberflächenmetallisierung von Keramiksubstraten?
Die aktuelle Forschung konzentriert sich auf die Verbesserung der Metall-Keramik-Bindungsfestigkeit und die Lösung von Grenzflächenbenetzungsproblemen sowie auf die Optimierung von Parametern für verschiedene Prozesse. Das Ausland hat Vorteile bei den DBC- und DAB-Technologien; Die chinesische Region Taiwan monopolisiert die DPC-Kerntechnologie, und auch auf dem chinesischen Festland wurden technologische Durchbrüche erzielt.
4.Was sind die Entwicklungstrends bei der Oberflächenmetallisierung von Keramiksubstraten?
Zu den Trends gehören Verfeinerung (DPC für hochpräzise Verpackung), Kostensenkung sowie Forschung und Entwicklung von Verbundsubstraten. Unterdessen wird das Durchbrechen der Prozessbarrieren von DBC/DAB die großflächige Anwendung von Keramiksubstraten in den Bereichen Hochleistungs-LEDs und IGBTs fördern.
5.Wie kann sich die Oberflächenmetallisierung von Keramiksubstraten auf die Produktleistung auswirken?
Die Oberflächenmetallisierung bestimmt direkt die Metall-Keramik-Bindungskraft, die sich wiederum auf die Wärmeableitungseffizienz, Zuverlässigkeit und Lebensdauer elektronischer Komponenten auswirkt. Darüber hinaus bestimmt die Prozessgenauigkeit die Schaltungsgenauigkeit und erfüllt die Anforderungen einer hochpräzisen dreidimensionalen Verpackung.
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