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一文了解陶瓷基板表面金属化技术
2018月06月25日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:669
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随着微电子产品发展趋向于功能多样化、高性能化和产品小型化,特别是5G通信技术发展要求通信设备(网络基站、大型滤波器)等有更高的功率,因而陶瓷基板以其低热阻、耐高压、高散热、寿命长等优良特性,在大功率LED产业、高频电子设备、大型网络基站、滤波器件等领域具有非常广泛的应用前景。而陶瓷基板表面金属化是决定其实际应用的重要前提。目前,陶瓷基板表面金属化方法主要有共烧法、厚膜法、直接敷铜法、直接敷铝法及薄膜法等,下面小编做简要介绍。


一、共烧法

共烧多层陶瓷基板因利用厚膜技术将信号线、微细线等无源元件埋入基板中能够满足集成电路的诸多要求,目前得到了广泛的关注。

共烧多层陶瓷基板


共烧法分为高温共烧和低温共烧。两者工艺流程基本相同,首先将陶瓷粉体与有机粘接剂混合形成浆料,再利用刮刀把浆料加工成片状,经干燥后形成陶瓷生坯,然后根据设计要求在生坯上加工导通孔并填充金属粉末,利用丝网印刷技术在生坯表面涂布形成线路图形,最后将各层生坯层叠后进行压合,在共烧炉内完成烧结并成型。具体如下:

共烧法工艺流程


高温共烧温度为1300~1600 ℃,而低温烧结温度则为850~900℃,造成这种差别的主要原因在于低温烧结浆料中加入了可以降低烧结温度的玻璃材料。


共烧法用于陶瓷基板表面金属化优点是:在增加组装密度、缩短互连长度、减少信号延迟、减小体积、提高可靠性等方面具有显著的优势,特别适用于高频通讯用组件。


缺点是:层压过程中也极易造成图形对位不精准而导致公差累积过大等问题。


二、厚膜法

厚膜法是指采用丝网印刷的方式,将导电浆料直接涂布在陶瓷基体上,然后经高温烧结使金属层牢固附着于陶瓷基体上的制作工艺。厚膜导体浆料的选择是决定厚膜工艺的关键因素,它由功能相(即金属粉末,粒径在2μm以内)、粘结相(粘结剂)和有机载体所组成。

厚膜导电浆料SEM图片(银60-80%,玻璃料5-25%,有机料10-20%


功能相金属粉末一般为AuPtAu/PtAu/PdAgAg/PtAg/PdCuNiAlW等金属,其中 AgAg/Pd Cu浆料居多。粘结剂一般是玻璃料或金属氧化物或是二者的混合物,其作用是连结陶瓷与金属并决定着厚膜浆料对基体陶瓷的附着力,是厚膜浆料制作的关键。有机载体的作用主要是分散功能相和粘结相,同时使厚膜浆料保持一定的粘度,为后续的丝网印刷做准备,在烧结过程中会逐渐挥发


目前,对于氧化铝厚膜电子浆料的研究已经趋于成熟,而氮化铝厚膜电子浆料尚有较大的发展空间。


三、直接敷铜法

直接敷铜法是在陶瓷表面(主要是Al2O3AlN)键合铜箔的一种金属化方法,它是随着板上芯片封装技术的兴起而发展出来的一种新型工艺。其基本原理是在Cu与陶瓷之间引进氧元素,然后在1065~1083℃时形成Cu/O共晶液相,进而与陶瓷基体及铜箔发生反应生成 CuAlO2CuAlO22,并在中间相的作用下实现铜箔与基体的键合。 因为AlN属于非氧化物陶瓷,其表面敷铜的关键在于在其表面形成一层Al2O3过渡层,并在过渡层的作用下实现铜箔与基体陶瓷的有效键合。

直接敷铜法应用于陶瓷基板表面金属化


铜箔具有良好的导电及导热性能,而氧化铝不仅具有导热性能好、绝缘性强、可靠性高等优点,还能有效地控制 CuAl2O3-Cu复合体的膨胀,使直接敷铜法制备的陶瓷基板具有近似氧化铝的热膨胀系数,目前广泛地应用于IGBTLD CPV 等的封装散热管理中。


四、直接敷铝法

直接敷铝法是利用铝在液态下对陶瓷有着较好的润湿性以实现二者的敷接。 当温度升至660 ℃以上时,固态铝发生液化,当液态铝润湿陶瓷表面后,随着温度的降低,铝直接在陶瓷表面提供的晶核结晶生长,冷却到室温实现两者的结合。该工艺由于铝较为活泼,在高温条件下容易氧化生成 Al2O3 薄膜而存在于铝液表面,大大降低铝液对陶瓷表面的润湿性,使敷接难以实现,因此在敷接前必须将其去除或是在无氧条件下进行敷接。


直接敷铝法用于陶瓷基板表面金属化优点是热稳定性良好、优异的导热特性、良好的抗热震疲劳性能和良好的铝线键合能力,与同结构的直接敷铜法相比质量可减轻44%,铝线键合能力佳,铝/陶瓷之间的热应力也相对较小,目前该技术发展迅速,已成功在汽车工业中得到应用。

陶瓷基板应用于功率元器件


目前国内外对 DAB技术做了大量的研究工作,但对铝/陶瓷界面细节方面的研究还不够深入。


五、薄膜法

薄膜法是主要采用物理气相沉积(真空蒸镀、磁控溅射等)等技术在陶瓷表面形成金属层,再采用掩膜、刻蚀等操作形成金属电路层的工艺过程,其中物理气相沉积是最常见的薄膜制造工艺。由于金属铜层与陶瓷层易发生热循环剥离失效,因此界面键合强度成为薄膜法基板的技术瓶颈。


物理气相沉积是采用蒸镀或溅射等方法在陶瓷表面形成一层3~5μm的金属薄膜作为陶瓷基板的导电层。导电层承担着电气连接及焊接的功能,选择 AuCuAg等电阻率低、耐高温、化学性能稳定且扩散系数小的金属材料。


薄膜法用于陶瓷基板表面金属化优点是:工艺操作温度低,一般在300 ℃以下,降低了制造工艺成本,同时精度高,非常适合对电路精度要求较高的电子器件封装。


缺点是:电镀废液污染大、金属层与陶瓷间的结合强度较低,产品应用时可靠性较低等不足。


陶瓷基本表面金属化技术对比表

名称

共烧法

厚膜法

直接敷铜法

直接敷铝法

薄膜法

低温

高温

导热率W/m.K

2-3(氧化铝)

16-24(氧化铝)

16-24(氧化铝);170-235(氮化铝)

16-24(氧化铝);170-235(氮化铝)

16-24(氧化铝);170-235(氮化铝)

16-24(氧化铝);170-235(氮化铝)

工艺温度℃

850-1000

1300-1600

700-800

1020-1100

1020-1100

250-350

图形制作方式

丝网印刷

丝网印刷

丝网印刷

热压键合

热压键合

薄膜+电镀

表面金属材质

银、铜、金等

钨、钼、锰等

银、铜、金等

通孔填孔方式

丝网印刷

丝网印刷

丝网印刷

电镀、化学镀

电镀、化学镀

电镀、化学镀

应用范围

通讯、定位系统、数字电路、LED

通讯、定位系统、数字电路、LED

卫星通信设备、航 天电子设备、LED

大功率电子元件

绝缘载体,特别是功率电子电路

大功率电子元件

优点

工艺成熟,

成本较低

工艺成熟,

导热率较高

技术成熟,工艺简单,成本较低

对位精准、 无烧结收缩差异问题

对位精准、 无烧结收缩差异问题

对位精准、无烧结收 缩差异问

题,可制作10~50μm 线路

缺点

对位精度 差、线路表面粗糙

对位精度 差、线路 表面粗糙、成本偏高

表面粗糙,对位不准

覆铜解析度太大,需加工处理

覆铝解析度太大,需加工处理

铜层仅3 ~

5μm,需要电

镀加厚


参考文献

1、俞晓东,傅仁利,井敏等,铝和氧化铝的润湿性及氧化铝陶瓷敷铝基板。

2、井敏,何洪,宋秀峰,直接敷铜陶瓷基板及制备方法。

3、程浩,陈明祥,郝自亮等,功率电子封装用陶瓷基板技术与应用进展。

4、王文君,王双喜,张丹等,大功率 LED封装基板研究进展。


李波涛


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