Forschungsstatus und Entwicklungstrend zur Oberflächenmetallisierung von Keramiksubstraten

Abstract: Das Wärmedissipationssubstrat ist ein wichtiger Kanal für die Wärmeableitung von elektronischen Hochleistungskomponenten, und seine thermische Leitfähigkeit wirkt sich direkt auf die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer von elektronischen Komponenten vom Stromverbrauch aus. Dieses Papier führt ausführlich das technische Schema und den Entwicklungsstatus der Oberflächenmetallisation von Keramik als hitzebestörendes Substratmaterial mit hoher thermischer Leitfähigkeit ein und weist auf die wichtigsten technischen Schwierigkeiten verschiedener Metallisierungsschemata hin, vergleicht und analysiert die Merkmale und Leistungsunterschiede verschiedener Keramikschemata und analysiert und analysiert Verpackung hitzebedissipierende Substrate und prognostiziert den Entwicklungstrend von Keramiksubstraten auf dieser Grundlage.

0. Einführung Mit dem kontinuierlichen Fortschritt der elektronischen Technologie ist das Problem der Wärmeabteilung allmählich zu einem Engpass, der die Entwicklung von elektronischen Stromprodukten in Richtung hoher Leistung und Licht einschränkt. Die kontinuierliche Akkumulation von Wärme in den elektronischen Leistungsstärken erhöht die Chip -Vermittlungstemperatur allmählich und erzeugt thermische Spannung, was zu einer Reihe von Zuverlässigkeitsproblemen wie reduzierter Lebensdauer- und Farbtemperaturänderungen führt. In der Verpackungsanwendung von elektronischen Komponenten vom Power-Typ wird das Kühlsubstrat nicht nur die Funktionen der elektrischen Verbindung und der mechanischen Unterstützung annimmt, sondern auch einen wichtigen Kanal für die Wärmeübertragung. Für elektronische Leistungsstärke sollte das Verpackungssubstrat eine hohe thermische Leitfähigkeit, Isolierung und Wärmefestigkeit sowie hohe Festigkeit und thermische Expansionskoeffizient aufweisen, die dem Chip entspricht.

Derzeit ist das gemeinsame Wärmedissipations -Substrat auf dem Markt hauptsächlich Metallsubstrat (MCPCB) und Keramiksubstrat. Aufgrund der extrem geringen thermischen Leitfähigkeit der Wärmedämmschicht ist es zunehmend schwieriger geworden, sich an die Entwicklungsanforderungen an elektronische Komponenten vom Stromtyp anzupassen. Keramisches Substrat als aufstrebende Wärmeableitungsmaterial, seine umfassende Leistung wie thermische Leitfähigkeit und Isolierung ist durch gewöhnliches MCPCB unübertroffen, und die Oberflächenmetallisierung des Keramik -Substrats ist eine wichtige Voraussetzung für die Bestimmung seiner praktischen Anwendung.

In diesem Artikel werden die Technologie und der Forschungsstatus der metallisierenden Metallisation von Keramik -Substrat ausführlich eingeführt, und das Prinzip verschiedener Metallisationsschemata wird beschrieben, und die wichtigsten technischen Kontrollpunkte jedes Schemas werden darauf hingewiesen, um technische Referenz für die zu liefern Auswahl des LED -LED -Keramikverpackungssubstrats von Power Type.

1. Forschungsstatus der Metallisierung der Keramikoberfläche

Nach dem Sintern muss die Oberfläche des Keramik -Substrats metallisiert werden, und dann wird das Oberflächenmuster durch Bildübertragung durchgeführt, um die elektrische Verbindungsleistung des Keramik -Substrats zu erreichen. Die Oberflächenmetallisation ist ein entscheidender Bestandteil der Produktion von Keramiksubstraten, da die Benetzungsfähigkeit des Metalls bei hohen Temperaturen auf der Keramikoberfläche die Bindungskraft zwischen Metall und Keramik bestimmt, und eine gute Bindungskraft ist eine wichtige Garantie für die Stabilität der LED -Verpackungsleistung.

Daher ist die Umsetzung der Metallisierung auf Keramikoberflächen und die Verbesserung der Bindungskraft zwischen ihnen der Schwerpunkt vieler wissenschaftlicher und technologischer Forscher [4,5,6]. Gegenwärtig können die gemeinsamen Metallisationsmethoden auf Keramikoberflächen grob in verschiedene Formen unterteilt werden, z. Methode (DBA) und Dünnfilmmethode (DPC) [7,8].

1.1 Mitbringungsmethode (HTCC/LTCC)

In den letzten Jahren haben gemeinsame Multilayer-Keramik-Substrate große Aufmerksamkeit auf sich gezogen, da sie viele Anforderungen an integrierter Schaltungen erfüllen können, indem sie passive Komponenten wie Signallinien und Mikrorohr mithilfe der dicken Filmtechnologie in die Substrate einbetten [9].

Es gibt zwei Arten von gemeinsamer Methoden, eine ist mit hohem Temperatur-Ko-Kreisel (HTCC) und die andere ist das Ko-Karrieren der Temperatur (LTCC). Der Prozessfluss der beiden ist im Grunde der gleiche. Der Hauptproduktionsprozess ist die Vorbereitung der Schlämmung, das Guss von Streifen, das Trocknen von grünes Leerzeichen, das Bohren durch das Loch, das Siebdruck-Füllloch, die Bildschirmdrucklinie, das laminierte Sintern und das endgültige Schneiden und andere Nachbehandlungsverfahren. Alumina -Pulver und organischer Klebstoff werden gemischt, um eine Aufschlämmung zu bilden, und dann wird die Aufschlämmung mit einem Schaber in Blätter verarbeitet. Nach dem Trocknen wird ein Keramikgrün -Billet gebildet [10]. Anschließend werden Pilotlöcher auf dem Green Billet gemäß den Entwurfsanforderungen bearbeitet und Metallpulver gefüllt. Schließlich ist jede Schicht des grünen Billetes laminiert, gesintert und im gemeinsamen Ofen geformt. Obwohl der Prozess der beiden gemeinsamen Methoden ungefähr gleich ist, ist die Sintertemperatur sehr unterschiedlich. Die gemeinsame Temperatur von HTCC beträgt 1300 ~ 1600 ° C, während die Sintertemperatur von LTCC 850 ~ 900 ℃ beträgt. Der Hauptgrund für diesen Unterschied ist, dass die LTCC-Sinterschlammung hinzugefügt wird, um die Sintertemperatur des Glasmaterials zu verringern, die nicht in der HTCC-gemeinsamen Aufschlämmung vorliegt. Obwohl das Glasmaterial die Sintertemperatur verringern kann, kann die thermische Leitfähigkeit des Substrats signifikant verringert werden [11,12,13].

Das gemeinsame Keramiksubstrat hat erhebliche Vorteile bei der Erhöhung der Montagedichte, der Verkürzung der Verbindungslänge, der Verringerung der Signalverzögerung, der Verringerung des Volumens und der Verbesserung der Zuverlässigkeit. Die häufigere Anwendung des gemeinsamen Substrats besteht darin, eine Vielzahl von passiven Geräten beim Sintern von Keramikpaste zu begraben, um dreidimensionale integrierte und nicht interferierende Hochdichte, IC- und aktive Geräte auf seiner Oberfläche zu erstellen, eine erfolgreiche integrierte Integration ermöglichen Modul, die Schaltungsstruktur weiter reduzieren, die Integrationsdichte verbessern, insbesondere für hochfrequente Kommunikationskomponenten [13]. Da HTCC und LTCC jedoch sowohl den Bildschirmdruck verwenden, um die Grafikproduktion zu vervollständigen, werden die dimensionale Genauigkeit und Oberflächenrauheit der Grafiken durch den Druckprozess stark beeinflusst. Gleichzeitig ist der Laminierungsprozess auch einfach zu verursachen, dass die Grafikausrichtung nicht genau ist, was zu einer übermäßigen Ansammlung von Toleranz führt. Darüber hinaus ist der grüne Billet während des Sinterprozesses zu inkonsistentem Schrumpfung, der in hohem Maße die Anwendung des gemeinsamen Verfahrens einschränkt [14, 15].

1,2 dicke Film Keramik (TFC) Methode

Die dicke Filmmethode bezieht sich auf die Methode des Screen -Drucks. Die leitende Paste ist direkt auf der Keramikmatrix überzogen und dann bei hoher Temperatur gesintert, um die Metallschicht fest an der Keramikmatrix festzuhalten. Die Auswahl der dicken Filmleiterpaste ist ein Schlüsselfaktor bei der Bestimmung des dicken Filmprozesses, der aus einer funktionellen Phase (dh einem Metallpulver mit einer Partikelgröße von weniger als 2 μm), einer Bindungsphase (Bindemittel) und einem organischen Träger besteht. Zu den allgemeinen Metallpulvern gehören Au, Pt, Au/Pt, Au/Pd, Ag, Ag/Pt, Ag/Pd, Cu, Ni, Al und W, darunter Ag, Ag/Pd und Cu -Schlamm die Mehrheit [16] . Der Bindemittel ist im Allgemeinen ein Glasmaterial oder ein Metalloxid oder eine Mischung aus beiden, und seine Aufgabe besteht darin, die Keramik und das Metall zu verbinden und die Haftung der dicken Filmschlammung mit der Matrixkeramik zu bestimmen, die der Schlüssel zur Produktion von dickem Dicke ist Filmschlamm. Die Funktion des organischen Trägers besteht hauptsächlich darin, die Funktionsphase zu zerstreuen und die Phase zu verbinden und gleichzeitig eine gewisse Viskosität der dicken Filmschlammung aufrechtzuerhalten, um sich auf den anschließenden Siebdruck vorzubereiten, der während des Sinterprozesses allmählich beeinträchtigt wird [[ 17].

Gegenwärtig ist die Forschung zu Aluminiumoxid -dickem Film elektronischer Paste ausgereift geworden, während die elektronische Paste von Aluminium Nitrid dicke Film noch einen großen Raum für die Entwicklung hat, was durch die unbefriedigende Benetzbarkeit der meisten Metalle zu Aluminiumnitrid -Keramik verursacht wird [17]. Um die Bindungskraft zwischen Metall- und Aluminiumnitrid -Keramik im Prozess der dicken Filmproduktion zu verbessern, gibt es zwei gemeinsame Methoden. Eine davon ist, Glasmaterial als Bindungsphase zu verwenden, damit die Metallschicht und die Alnschicht die mechanische Bindung erreichen. Die zweite besteht darin, eine Substanz hinzuzufügen, die mit ALN als Bindungsphase reagieren kann und eine chemische Bindung durch Reaktion mit ALN erreichen kann. Gegenwärtig ist die Hauptzusammensetzung der meisten Gla-Bindungssysteme von Aluminiumnitrid-Aufschlämmung SIO2-B2O3, was darauf zurückzuführen ist, dass Silikatglas und Boratglas eine gute Benetzungswirkung auf Metall und Aluminiumnitrid haben. Darüber hinaus ist der Erweichungspunkt von Boratglas niedrig, was die Feuerrate verbessern und die Dichte nach dem Sintern verbessern kann. Der niedrige Erweidungspunkt von Borat macht es jedoch auch weicher, bevor er die Metallisation -Sintertemperatur erreicht, sodass die Metallschicht keine effektive Netzwerkvernetzungsstruktur mit Aluminiumnitrid -Keramik bilden kann. Die Zugabe von Silikat kann dieses Problem effektiv lösen. Gleichzeitig kann die Leistung der Glasphase weiter verbessert werden, indem die Glasphase eine angemessene Menge an Alkali -Metall und alkalischem Erdmetall hinzufügt, da Alkali oder alkalisches Erdmetall das Glas differenzieren und die Viskosität des Glass verringern können. Im Allgemeinen wird die Viskosität mit zunehmender Menge an Alkali- oder Alkalin -Erdmetall erheblich reduziert, was zur Verbesserung der Fluidität der Aufschlämmung und der Beschleunigung der Metallisation und des Sinterns förderlich ist. Zu den häufig verwendeten Alkali- oder alkalischen Erdmetallen gehören Li2O, Na2o, K2O, Bao und PDO usw. [18,19]. Darüber hinaus können einige Substanzen, die mit Aluminiumnitrid reagieren können, um neue Phasen zu bilden Aufschlämmung nach der Metallisierung. Es wurde darauf hingewiesen, dass einige alkalische Erdmetalloxide von Silizium und Bor sowie Oxide aus Zirkonium, Eisen, Blei und Phosphor mit Aln reagieren können, um neue Substanzen zu bilden [20, 21]. Beispielsweise kann die Verwendung der ZRB2 -Bindungsphase aufgrund der Bildung einer neuen Phase al2O3 · B2O3 (Boralspinell) während des Reaktionsprozesses die Bindungskraft zwischen der metallisierten Schicht und der Aluminiumnitrid -Keramik bis zu 24 mPa und der 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 ~ 20 μm und die minimale Linienbreite 0,1 mm. Aufgrund der ausgereiften Technologie, des einfachen Prozesses und der niedrigen Kosten wurde TFC in LED -Verpackungen mit geringen grafischen Genauigkeitsanforderungen verwendet. Gleichzeitig weist TFC einige Nachteile auf, wie z. ist begrenzt.

1.3 DICK BONDED COPPER (DBC) -Methode

DBC ist eine Metallisationsmethode zur Bindung von Kupferfolie auf einer Keramikoberfläche (hauptsächlich Al2O3 und ALN), einem neuen Prozess, der mit dem Aufstieg der Packungstechnologie (COB) -Technologie (CHIP -On -Bord) entwickelt wurde. Das Grundprinzip besteht darin, Sauerstoff zwischen Cu und Keramik einzuführen und dann bei 1065 ~ 1083 ° zwischen Kupferfolie und Matrix unter der Wirkung der Zwischenphase. Da Al N eine Nicht-Oxid-Keramik ist, besteht der Schlüssel zum Beschichten von Kupfer auf seiner Oberfläche darin, eine Al2O3-Übergangsschicht auf seiner Oberfläche zu bilden und eine wirksame Bindung zwischen Kupferfolie und Matrixkeramik unter der Wirkung der Übergangsschicht zu realisieren [22].

Die Einführung von Sauerstoff ist ein sehr kritischer Schritt im DBC -Prozess. Die Oxidationszeit und die Oxidationstemperatur sind die beiden wichtigsten Parameter in diesem Prozess, die einen sehr wichtigen Einfluss auf die Bindungskraft zwischen der Keramik und der Kupferfolie nach der Bindung haben. Wenn die Oxidationszeit und die Oxidationstemperatur fix Eine schlechte Benetzbarkeit auf dem Substrat und schließlich bleiben eine große Anzahl von Löchern und Mängel auf der Schnittstelle. Nachdem die Matrix vor oxidiert ist, kann gleichzeitig eine ausreichende Sauerstoffversorgung mit der Beschichtung verabreicht werden, so Die Bindungskraft zwischen Kupferfolie und der Matrix ist ebenfalls fester. Für ALN ist die Benetzbarkeit der Cu/O -flüssigen Phase schlecht, da ALN eine starke kovalente Bindungsverbindung ist. Wenn DBC -Kupfer auf seiner Oberfläche angewendet wird, muss die Benetzbarkeit der Cu/O -flüssigen Phase auf der Keramikmatrix durch Oberflächenmodifikation verbessert werden, um die Bindungskraft von Kupferfolie und Matrix zu gewährleisten. Gegenwärtig besteht die allgemeine Praxis darin, eine Vor-Oxidation zu verwenden, um eine bestimmte Dicke, eine gleichmäßige Dispersion und eine dichte Struktur des Al2o3-Films auf der Oberfläche von Aln zu bilden. Aufgrund der Fehlanpassung zwischen dem thermischen Expansionskoeffizienten der Aluminiumoxidfilm- und der Aluminium -Nituse -Matrix kann sich die Bindungskraft der Zweiphasen -Grenzfläche aufgrund des Vorhandenseins der Innenspannung bei Raumtemperatur verschlechtern, sodass die Qualität des Films der Schlüssel zum Erfolg ist der nachfolgenden Beschichtung. Um eine wirksame Kombination der beiden zu erreichen, muss im Allgemeinen die innere Spannung zwischen den Aln- und Al2O3 . Jing Min et al. [23] führten eine systematische Untersuchung des DBC -Prozesses durch und erhielten ein DBC -Keramiksubstrat mit Schalenfestigkeit über 6,5 N / mm und thermischer Leitfähigkeit von 11,86W / (M · k), indem sie die Keramikoberfläche mit geschmolzenem NaOH aufrauten. Xie Jianjun et al. [24] Vorbereitete Cu/AL2O3- und Cu/ALN -Verbundkeramik -Substratmaterialien mit DBC -Technologie. Die Bindungsstärke zwischen Kupferfolie und Aln -Keramik -Substrat überstieg 8,00 n /mm, und es gab eine Übergangsschicht mit einer Dicke von etwa 2 μm zwischen Kupferfolie und Aln -Keramik. Seine Komponenten sind hauptsächlich Al2O3-, Cualo2- und Cu2O -Verbindungen, und die Grenzflächenbindungsstärke von Cu/ALN steigt mit zunehmender Bindungstemperatur allmählich an. Akara-Slimane et al. [25] verwendeten DBC-Verfahren zur Herstellung von Aluminiumnitrid-Keramik-Substrat unter Vakuumbedingungen, wenn die Temperatur 1000 ° C betrug und der Druck 4-12 MPa betrug und die Schälfestigkeit bis zu 32 MPa betrug.

Kupferfolie hat eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit, und Aluminiumoxid hat nicht nur eine gute thermische Leitfähigkeit, stark . Es wurde häufig für die Wärmeverwaltung von IGBT, LD und CPV verwendet. Da DBC heißgepresste Kupferfolien im Allgemeinen dicker sind und zwischen 100 und 600 μm reicht, haben sie eine starke Stromversorgung und haben offensichtliche Vorteile im Bereich IGBT und LD-Verpackung [26].

Obwohl DBC in der praktischen technischen Anwendung viele Vorteile hat, hat es auch die folgenden Mängel: (1) DBC -Prozess erfordert die Einführung von Sauerstoffelementen unter hohen Temperaturbedingungen, um Cu- und Al2O3 -reaktionsübergreifende Reaktion durchzuführen, was eine hohe Ausrüstung und die Prozesskontrolle erfordert, und die Die Substratproduktionskosten sind hoch; . (3) Die Dicke der dBC -Oberflächenkupferfolie beträgt im Allgemeinen mehr als 100 & mgr; m und die minimale Linienbreite des Oberflächenmusters ist im Allgemeinen größer als 100 μm, was nicht für die Produktion von feinen Linien geeignet ist.

1,4 Direktes Aluminiumgebunden (DAB)

Die direkte Aluminiumbeschichtungsmethode besteht darin, Aluminium im flüssigen Zustand von Keramik zu verwenden, um die Anwendung der beiden zu erreichen. Wenn die Temperatur über 660 ° C steigt, verflüssiges festes Aluminium, wenn das flüssige Aluminium die Keramikoberfläche feucht, mit Abnahme der Temperatur, Aluminium direkt auf der Keramikoberfläche von den beiden. Da Aluminium aktiver ist, ist es leicht, Al2o3 -Film unter hohen Temperaturbedingungen zu oxidieren und auf der Oberfläche von flüssigem Aluminium vorhanden, was die Benetzbarkeit von flüssigem Aluminium auf der Keramikoberfläche erheblich verringert, was es schwierig macht, die Anwendung zu erreichen vor der Anwendung oder der Anwendung unter sauerstofffreien Bedingungen entfernt werden. Peng Rong et al. [23, 27] übernahm die Graphit -Würfelgussmethode, um reines flüssiges Aluminium auf der Oberfläche des Al2O3 -Substrats und des Aln -Substrats durch Druck zu legen, und der Al2O3 -Film blieb aufgrund mangelnder Fließfähigkeit in der Formhohlheit. Nach dem Abkühlen wurde das DAB -Substrat mit Schallbeschichtung vorbereitet.

Da die Benetzbarkeit von flüssigem Aluminium auf der Keramikoberfläche der Schlüssel zum Erfolg oder Versagen von DAB ist, haben Wissenschaftler im In- und Ausland eine Menge Forschungsarbeiten zur Benetzbarkeit durchgeführt. Wenn Karaslimane [25] Aluminium als Zwischenschicht verwendete, um Al N/Al/Fe zu verbinden, wies er darauf hin, dass während des Beschichtungsprozesses ein bestimmter Druck ausgeübt werden muss Die wirksame Beschichtung von Aluminium mit Aluminiumnitrid und Eisen. Die obige Überlegung ist die physikalische Beschichtung, dh es gibt keine chemische Reaktion an der Aluminium-/Keramik -Grenzfläche, so Die Kraft ist im Vergleich zu DBC relativ gering. Die Kombination zwischen den beiden hat jedoch keine zweite Phasenerzeugung und hat den Vorteil einer geringen Grenzflächenspannung und einer thermischen Leitfähigkeit mit hoher Schnittstelle im Vergleich zu DBC. Vor dem Beschichten von Aluminium ist die Oberflächenbehandlung von Keramik zur Erhöhung der Beschichtungsstärke eine wichtige Prozessverbindung.

IMAI [28] stellte fest, dass die Oberflächenrauheit des Keramik -Substrats die Beschichtungsleistung stark beeinflusst, und die Aufrechterhaltung einer gewissen Rauheit ist eine notwendige Erkrankung zur Verbesserung der Beschichtungsstärke. Wie man das Keramiksubstrat zur Veränderung seiner Rauheit behandelt, ist daher der Schlüssel zur Verbesserung der Bindungsstärke zwischen Aluminium und Keramik. Lin et al. [29] untersuchten die Bindungstemperatur und die Eigenschaften von Al2O3/Al/Al2O3 und hergestelltes DAB -Substrat mit hoher Bindungsfestigkeit und thermischer Leitfähigkeit von 32 W/(M · K) bei 1100 ℃. Jing Min et al. [23] bildete zunächst eine stabile Cu al2O4 -Phase, indem Cu2O am Al2O3 -Substrat gesintert wurde, und auf der Oberfläche des Substrats wurde ein Kupferfilm durch H2 -Reduktion bei 1 000 ℃ gebildet. Schließlich wurde der Kontakt zwischen Sauerstoff und Metallaluminium durch aktives Metallmagnesium und Tonerschutz unter Vakuumumgebung isoliert. DAB -Keramik -Substrat mit Al/Al2O3 -Bindungsstärke von bis zu 11,9 MPa wurde durch eutektische Beschichtung bei 760 ℃ hergestellt.

Das DAB -Keramik -Substrat hat eine gute thermische Stabilität, die Masse kann im Vergleich zu DBC derselben Struktur um 44% reduziert werden. Jahre. Das Al2O3-DAB-Substrat und das Aln-DAB-Substrat haben hervorragende Merkmale der Wärmeleitfähigkeit, eine gute thermische Schockermüdungswiderstand, eine ausgezeichnete thermische Stabilität, das leichte Strukturgewicht und die Fähigkeit zur Bindungsfähigkeit des Aluminiumdrahtes. Das auf DAB -Substrat basierende Leistungsgerätemodul wurde in der japanischen Automobilindustrie erfolgreich angewendet. Gegenwärtig wurden viele Forschungsarbeiten an der DAB -Technologie im In- und Ausland durchgeführt, aber die Forschung zu den Details der Aluminium-/Keramik -Grenzfläche ist nicht tief genug [4]. Aufgrund strenger Beschränkungen des Sauerstoffgehalts hat DAB höhere Anforderungen an die Geräte- und Prozesskontrolle, und die Substratproduktionskosten sind höher. Und die Dicke des oberflächengebundenen Aluminiums beträgt im Allgemeinen mehr als 100 μm, was für die Produktion von feinen Linien nicht geeignet ist, und ihre Werbung und Anwendung sind daher begrenzt.

1,5 Dünnfilmmethode (Direktplattierte Kupfer, DPC)

Dünnfilmmethode ist ein Prozess, bei dem die Metallschicht auf der Keramikoberfläche durch physikalische Dampfabscheidung (Vakuumverdampfung, Magnetronsputter usw.) gebildet wird, und dann wird die Metallschichtschicht durch Maske und Ätzen gebildet. Unter ihnen ist die physische Dampfablagerung der häufigste Filmherstellungsprozess [30].

Physikalische Dampfabscheidung besteht darin, eine Schicht aus 3 ~ 5 & mgr; m Metallfilm auf der Keramikoberfläche durch Verdampfen oder Sputtern als leitende Schicht des Keramiksubstrats zu bilden. Die Grenzflächenbindungsstärke ist der technische Engpass des DPC -Substrats aufgrund des thermischen Zyklusversagens von Kupferschicht und Keramikschicht. Die Bindungskraft von Keramik- und Metallfilm, die Schweißleistung von Metallfilm und Chip und die Leitfähigkeit des Metallfilms selbst sind drei wichtige Indikatoren, um die Qualität des Films zu messen. Die Bindungskraft zwischen Metallfilm und Aluminiumnitrid bestimmt die Praktikabilität und Zuverlässigkeit des keramischen Substrats des Filmprozesses, während die Bindungskraft durch Van -der -Waals -Kraft, chemische Bindungskraft, Diffusionsadhäsion, mechanische Verriegelung, elektrostatische Anziehung und innere Stress von Innenstress beeinflusst wird Der Film selbst, unter dem Diffusionsadhäsion 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 leitende Schicht übernimmt die Funktionen von elektrischem Anschluss und Schweißen, sodass Metallmaterialien wie Au, Cu und Ag mit niedrigem Widerstand, hoher Temperaturwiderstand, stabilen chemischen Eigenschaften und geringem Diffusionskoeffizienten ausgewählt werden müssen [31]. Zhang Xuebin [32] untersuchte den Herstellungsprozess des DPC -Keramik -Substrats, und die Ergebnisse zeigten, dass die Bindungsstärke durch Verwendung von W/Ti -Legierung als Übergangsschicht verbessert werden konnte. Wenn die Dicke der Übergangsschicht 200 nm betrug, betrug die Bindungsstärke des hergestellten dünnen Films Al2O3 -Keramik -Substrat größer als 97,2 N. Zusätzlich zur Herstellung von dünnen Filmen durch physikalische Dampfabscheidung haben einige Wissenschaftler durch elektrololes Einzug kupferdünne Filme auf der Oberfläche der Keramik erhalten. Xue Shengjie et al. [13] von der Chongqing University verwendete die elektrolesslose Plattierungsmethode, um verschiedene Prozessparameter zu optimieren. Al n Dünnfilm Keramiksubstrat mit Bindungskraft von 18,45 N, Leitfähigkeit von 2,65 × 10^6 s/ m, Ablagerungsrate von 0,026 g/ (s · cm2) und die thermische Leitfähigkeit von 147,29 W/ (M · k) hergestellt.

Im Vergleich zu anderen Metallisationsmethoden mit Keramikoberflächen hat der DPC -Prozess eine niedrige Betriebstemperatur, im Allgemeinen unter 300 ° C, wodurch die Herstellungskosten reduziert und die nachteiligen Auswirkungen einer hohen Temperatur auf das Material effektiv vermieden werden. Das DPC -Substrat verwendet die Huang -Guangying -Technologie, um eine Grafikschaltung zu erzeugen, die Linienbreite kann in 20 ~ 30 μm gesteuert werden, die Oberflächenflatheit kann 3 & mgr; m oder weniger erreichen und der Fehlergenauigkeitsfehler kann innerhalb von ± 1%gesteuert werden, was sehr geeignet ist für sehr geeignet für Elektronische Geräteverpackung mit Anforderungen an die Genauigkeit mit hoher Schaltung. Insbesondere können die oberen und unteren Oberflächen des Keramik-Substrats nach dem Schneiden von Löchern und dem Füllen von Kupfer durch Löcher des DPC-Substrats durch Laser miteinander verbunden werden, wodurch die dreidimensionalen Verpackungsanforderungen elektronischer Geräte erfüllt werden. DPC reduziert nicht nur das Paketvolumen, sondern verbessert auch die Paketintegration. Obwohl das DPC -Keramik -Substrat die oben genannten Vorteile aufweist, hat es auch einige Mängel, wie z. B. eine begrenzte Dicke der abgelagerten Kupferschicht, eine große Verschmutzung der Flüssigkeitsabfälle, eine niedrige Bindungsfestigkeit zwischen Metallschicht und Keramik und eine geringe Zuverlässigkeit der Produktanwendung.

2 Leistungsvergleichs- und Entwicklungstrend des Keramik -Substrats

2.1 Leistungsvergleich des Keramik -Substrats

Zusätzlich zur Funktion der elektrischen Verbindung und der Wärmeableitungsfunktion muss auch das Substrat für elektronische Verpackungsdissipationstypen -Typen eine bestimmte Isolierung, Wärmewiderstand, Druckwiderstand und Wärmeanpassungsleistung aufweisen. Da das Keramiksubstrat hervorragende thermische Leitfähigkeit und Isolationseigenschaften aufweist, hat es wichtige Vorteile bei der Verpackungsanwendung von elektronischen Leistungskomponenten und ist in Zukunft eine der wichtigsten Entwicklungsrichtungen des elektronischen Kühlkühlungssubstrats von Stromverpackungen [33]. Die Haupteigenschaften von LTCC-, HTCC-, TFC-, DBC-, DBA- und DPC -Prozess -Keramik -Substraten sind in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1 Hauptmerkmale und Leistungsvergleich verschiedener Keramiksubstrate

Bisher haben Cree, Osram, Philips und Nichia und andere internationale Top -Hersteller und häusliche Jiangi Jingrui, Yimei Xinguang, Hingeng -Technologie, Foshan Guoxing, Shenzhen Ruifeng, Guangzhou Hongli, Ningbo Shengpu und andere Unternehmen Ceramic Paket -Elektronikprodukte auf den Markt gebracht. Derzeit sind die Herstellungskosten des Keramik -Substrats aufgrund der technischen Fähigkeit immer noch hoch. Es kann jedoch vorausgesagt werden, dass mit dem kontinuierlichen Durchbruch technischer Engpässe und der kontinuierlichen Verbesserung der Paketintegration die Marktakzeptanz von Keramiksubstraten zunehmend verbessert wird und die elektronischen Produkte der Stromverpackung als Keramik als Verpackungssubstrate zunehmend reich werden.

2.2 Entwicklungstrend des Keramik -Substrats

Das keramische Substrat hat einen geringen Koeffizienten der thermischen Expansion, eine gute thermische Leitfähigkeit und die Isolationseigenschaften und wurde als das vielversprechendste Wärmedissipations -Substrat in der Branche anerkannt. In einigen Fällen ersetzt es allmählich das Metallsubstrat und wird zur bevorzugten thermischen Managementlösung für die Wärmeableitung von elektronischen Hochleistungskomponenten [34].

Wie oben erwähnt, verfügt die derzeit auf elektronischen Komponentenverpackungen mit hoher Leistung angewendete Technologie für Substrat-Herstellung von HTCC, LTCC, TFC, DBC, DAB, DPC Six Arten, von denen das Metallpulver im HTCC , Mangan und andere Metalle mit hohem Schmelzpunkt, aber schlechter elektrischer Leitfähigkeit, und seine Produktionskosten sind hoch, so dass sie im Allgemeinen weniger verwendet werden. LTCC -Prozess aufgrund der Zugabe einer niedrigen thermischen Leitfähigkeit von Glasmaterialien in der Aufschlämmung beträgt die thermische Leitfähigkeit nur 2 ~ 3 W/ (M · K), verglichen mit normalen MCPCB -Vorteilen sind nicht offensichtlich. Gleichzeitig werden die Liniengrafiken von HTCC und LTCC von der TFC -Technologie (Dick Film) hergestellt, die die Mängel einer rauen Oberfläche und der ungenauen Ausrichtung aufweist. Darüber hinaus gibt es im Sinterprozess auch ein Problem der inkonsistenten Schrumpfung des Keramikgrün-Billetes, was die Prozessauflösung der gemeinsamen Keramik in gewissem Maße begrenzt macht, und die Popularisierung und Anwendung stehen auch vor großen Herausforderungen.

Aufgrund der schlechten Benetzbarkeit von Kupfer der flüssigen Phase auf der Keramikoberfläche im DBC-Prozess müssen Sauerstoffelemente unter hohen Temperaturbedingungen eingeführt werden, um die Beschichtung der Kupferfolie und der Matrixkeramik zu erreichen, und Mikroporten können leicht auf der Grenzflächenoberfläche erzeugt werden. Dies hat hohe Geräte- und technische Anforderungen und steht nach wie vor im Mittelpunkt der Forschung von inländischen und ausländischen Forschern. Das Aluminium im DAB-Prozess ist bei hoher Temperatur leicht zu oxidieren, was die Benetzbarkeit von flüssigem Aluminium auf der Keramikoberfläche beeinflusst, und die Anwendung muss unter sauerstofffreien Bedingungen durchgeführt werden, sodass die Anforderungen an Geräte und Technologie auch relativ sind Derzeit wurde hart und groß angelegte Industrialisierung nicht realisiert. Gegenwärtig hat Western Industrieländer, Japan, Südkorea DBC- und DAB -Technologie und Marktvorteile. Einige wissenschaftliche Forschungsinstitutionen in China haben auch einige Forschungsarbeiten zu DBC und DAB durchgeführt und bestimmte technische Durchbrüche erzielt. Im Vergleich zum internationalen fortgeschrittenen Niveau gibt es jedoch immer noch eine bestimmte Lücke, Produkte werden hauptsächlich in IGBT (isoliertes Gate -Bipolar -Diode) und Insulat Gate Diode) und Produkte verwendet. LD (Laserdiode) und andere Stromverpackungen. Aufgrund der dicken leitenden Schicht von DBC und DAB sind die Vorteile der beiden auf LED -Verpackungen angewendeten Substrate nicht offensichtlich.

Der DPC -Prozess löst das Problem der schlechten Benetzbarkeit der Kupferfolie auf der Keramikoberfläche durch Einführung der Übergangsschichtmetall auf die Keramikoberfläche und erkennt erfolgreich die Metallisierung der Keramikoberfläche, um die Bindungskraft zwischen leitender Schicht und Keramiksubstrat zu gewährleisten. DPC -Keramik -Substrat hat nicht nur eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit, sondern auch eine hohe Leitungsgenauigkeit und Oberflächenglattheit, die für LED -Verkleidungs- und eutektische Prozessverpackungen sehr geeignet ist und die Industrialisierung in Bezug auf die Produktionsskala erreicht hat und derzeit in der Lage ist Erfüllen Sie die Bedürfnisse von LED zu hoher Leistung, hoher Lichtdichte und kleiner Größenrichtung der Entwicklung des keramischen Verpackungskühlungssubstrats. Gegenwärtig hat die taiwanesische Region Chinas eine Monopolposition für die DPC -Kerntechnologie, die 80% des globalen Produktmarktanteils ausmacht, und ist der Hauptlieferant von Keramikkühlungssubstraten für Riesen der Halbleiter -Beleuchtungsbranche wie Cree, Lumileds und Osram in Deutschland. Heutzutage hat die DPC-Substrat-Technologie auf dem Festland mit der kontinuierlichen Zunahme der Forschungs- und Entwicklungsbemühungen auch Durchbrüche erzielt, die auch den Bedürfnissen der Hochleistungs-LED-Verpackung für die Wärmeableitung erfüllen können.

Unter dem Hintergrund des kontinuierlichen Durchbruchs des Engpässe des Herstellungsprozesses Technologie ist die Sprödigkeit des Keramik -Substrats eine unbestreitbare Tatsache, wie er seine hervorragende thermische Leitfähigkeit nutzen kann, um Wärmeableitungsmanagementlösungen für die sich schnell entwickelnde LED -Industrie bereitzustellen, und das Knacken aufgrund übermäßiger Brechung vermeiden kann In der Produktions- und Nutzungsprozesse ist auch ein praktisches Problem, das nicht ignoriert werden kann. Lejian Technology (Zhuhai) Co., Ltd. uses laser cutting or grinding wheel cutting to cut large pieces of ceramic into a number of small pieces, and selectively implanted into the FR4 structure, using the pressing process to combine the ceramic and FR4 together to bilden eine zusammengesetzte Wärmeableitungsstruktur. Unter ihnen fungiert die Keramik als Wärmedissipationskanal des Chips, so dass die von den elektronische Komponenten während des Arbeitsprozesse erzeugte Wärme schnell in die Außenwelt entlang der Keramik diffundiert werden kann, um die Zuverlässigkeit der verursachten Komponenten zu vermeiden Durch schlechte Wärmeableitungen, was zum Risiko eines vorzeitigen Versagens führt, wie in Abbildung 1 und Abbildung 2 dargestellt. Dieses Design behält nicht nur die Wärmeableitungsfunktion der Keramik bei, sondern löst auch das Problem der fragilen Keramik. Gleichzeitig kann die Bearbeitung auf FR4 erreicht werden, was die hohen Kosten für das Schneiden der reinen Keramik erheblich verringert. Gegenwärtig wurde diese Art von Verbundsubstratmaterial auf eine bestimmte Skala in den Feldern von Hochleistungs-LED und IGBT angewendet.

3 Schließende Bemerkungen

Die Wärmeabteilung ist ein wesentliches technisches Problem bei der Entwicklung elektronischer Leistungskomponenten. In Anbetracht der hohen Leistung, geringer Größe ist Leichtgewicht zum zukünftigen Entwicklungstrend der elektronischen Komponentenverpackung, des Keramiksubstrats sowie der hervorragenden Merkmale der thermischen Leitfähigkeit, aber auch eine gute Isolierung, Wärmebeständigkeit, Druckwiderstand und gute thermische Anpassungsleistung mit der Leistung Der Chip ist die erste Wahl für die medium- und hochwertige Stromverpackungsverpackungsdissipation. Der Metallisationsprozess der Keramik -Substratoberfläche ist eine wichtige Verbindung, um die Verwendung von Keramik in der Verpackung von elektronischen Leistungskomponenten zu realisieren. Die Metallisationsmethode bestimmt die Leistung, die Produktionskosten, die Produktausbeute und die Anwendungsreichweite des Keramiksubstrats.