高导热氮化硅陶瓷基板影响因素研究现状

电子电力技术的高度集成化对承载电子元器件的脆性陶瓷基板提出了更高的散热和强度要求。氮化硅陶瓷兼备优异的本征热导率和力学性能,在大功率半导体器件封装领域有广阔的发展前景。然而,目前商业及实验中可实现的氮化硅热导率远低于其本征热导率,如何在保证氮化硅优异力学性能的基础上提高热导率仍然是一个难题。本文概述了高热导氮化硅的发展近况,着重论述氮化硅实际热导率的影响因素和提高方法。同时对比了几种氮化硅烧结工艺的优劣情况,并简要介绍目前主流商业化的氮化硅陶瓷基板成型工艺,最后对氮化硅陶瓷基板发展方向作出展望。

氮化硅陶瓷基板制备及其金属化研究

低成本制备Si_(3)N_(4)陶瓷基板及其金属化是Si_(3)N_(4)陶瓷在电子行业应用中面临的关键问题。对Si_(3)N_(4)陶瓷流延成型配方体系进行了研究,系统分析了分散剂、黏结剂、增塑剂与固含量等因素对流延膜性能的影响,提出了一种优化的固含量为42%的配方体系,其流延膜相对密度达79.3%。经硅粉氮化后烧结得到的Si_(3)N_(4)陶瓷相对密度≥95%,抗弯强度达(852.7±48.8)MPa,热导率达75.5 W/(m·K)。采用丝网印刷工艺印制钨金属化浆料,经热压叠层与共烧结,得到金属层与Si_(3)N_(4)基板均平直完整、无翘曲、无缺陷的Si_(3)N_(4)金属化陶瓷,经测量发现其结合强度为27.84 MPa,金属层方阻为104 mΩ/sq。研究结果表明,采用流延成型和丝网印刷工艺,经烧结工艺可以制备Si_(3)N_(4)高温多层共烧基板(HTCC)。

孔金属化设计对高温共烧陶瓷基板热阻的影响

高温共烧陶瓷(HTCC)基板广泛应用于电子封装领域,其热阻是一个重要指标。围绕Al_(2)O_(3)和AlN陶瓷基板,探究在不同金属化孔间距和布局下的热阻规律。建立了陶瓷基板热传递有限元模型,并对其热阻进行仿真。制备了两种陶瓷基板,测试了其在不同功率负载下的热阻。测试结果表明,相同规格的AlN陶瓷基板的热阻约为Al_(2)O_(3)的25%;Mo孔金属化对Al_(2)O_(3)陶瓷基板的散热能力有明显提升作用,孔密度越大,基板热阻越低;而不同W金属化孔密度下的AlN基板热阻没有显著差异。仿真结果与实测结果基本吻合,为陶瓷基板的热设计提供了参考。

三维电镀陶瓷基板激光封焊技术

气密封装是推动电子器件高可靠发展的一项重要技术,传统气密封装技术存在焊接温度高、热冲击大、应用范围窄等问题,无法满足三维电镀陶瓷基板气密封装要求。本文结合脉冲激光焊接的技术优势,研究了脉冲激光焊接三维电镀陶瓷基板实现气密封装,重点探讨了焊接过程中脉冲激光与材料相互作用模式,分析了焊接样品界面微观形貌、气密性、力学性能等。研究表明,焊接金属区裂纹的出现与基底金属铜向可伐侧的扩散密切相关;焊接过程稳定、焊接熔深小的热传导模式和过渡模式可以避免焊接裂纹出现。通过试验优化了焊接工艺参数,当激光峰值功率为120 W、脉冲宽度为1 ms、重叠率为80%时,三维陶瓷基板腔体结构获得了最佳高气密性,泄漏率为5.2×10^(-10)Pa·m^(3)/s,接头剪切强度为278.06 MPa,满足第三代半导体器件高可靠气密封装需求。

DBC陶瓷基板表面贴装工艺技术研究

高效散热对宇航控制单机的热设计尤为重要,本文选用氧化铝DBC替代FR4印制板,研究基于热风回流焊的陶瓷基板焊接方法,通过对陶瓷基板焊盘和锡膏印刷钢网进行合理优化设计,增加排气通道,有效降低了焊接整体空洞率;探讨了底板厚度对焊接后平面的影响;最后通过环境试验考核对焊接可靠性进行了验证,为空间用电子单机的陶瓷组件焊接方法提供参考。

陶瓷基板AMB覆铜技术专利现状

本文详细梳理了半导体功率器件用陶瓷基板AMB覆铜工艺的专利申请趋势、重点申请人技术发展路线、焊料发展,能够对国内陶瓷基板AMB覆铜工艺的研发以及产业化提供一些指导方向。

厚膜印刷陶瓷基板的版内电阻一致性改进

使用丝网印刷工艺生产厚膜印刷陶瓷基板时,经常会出现版内不同区域印刷电阻不一致的问题。通过对丝网印刷过程中的网版张力、回弹力以及刮刀下压力的综合分析,得出印刷在承印物上的浆料量与网版张力、回弹力及下压力的合力成正相关的关系,进而分析得到刮刀印刷方向对于线型电阻的印刷有较大影响。经实验验证,相较于传统的刮刀平行于线型电阻长度方向印刷,当刮刀垂直于线型电阻长度方向进行印刷时,版内电阻漂移率从11.24%缩窄至4.46%,产品印刷电阻一致性得到较大程度的改善,可满足产品公差上下限要求,避免了昂贵的激光修阻工艺,节约了成本。通过实验证明对于复杂图形,线条取向与刮刀印刷方向的相互关系对浆料分布的均匀性有明显影响,复杂图形也验证了该结论的普适性。

基于陶瓷基板一体化封装的高可靠性LC滤波器组装工艺研究

针对陶瓷基板一体化封装结构的LC滤波器,采用回流焊方法进行装配,制作了具有高可靠性的LC滤波器。采用电阻点焊对绕线电感进行引脚固定,使用贴片红胶粘接固定片式电容,实现陶瓷一体化封装LC滤波器内部元件的预固定。通过点涂方式施加焊膏,经回流焊接形成润湿良好的焊点,利用微压水柱清洗去除残留的助焊剂。经过调试和涂胶固定绕线电感后采用平行缝焊完成产品封装。对回流焊装配的LC滤波器进行过程检验、温度和机械试验。结果表明,由所研究的组装工艺制成的LC滤波器具有较好的工序直通率,满足高可靠环境应用要求,适合于批量化生产。

Al_(2)O_(3)陶瓷基板切割用金刚石划片刀选型方法研究——基于高斯过程回归模型

为改善Al_(2)O_(3)陶瓷基板切割过程中的背崩问题,通过选取金刚石划片刀划切过程中会对背崩产生显著影响的磨料粒度、磨料浓度、结合剂硬度和冷水槽数量等4个特征参数作为关键因子,将陶瓷基板背崩尺寸作为响应变量,利用正交试验设计在因子可行域内选择样本数据,并采用高斯过程回归模型进行建模,最后用粒子群算法进行寻优。结果表明:该方法对电镀结合剂金刚石划片刀选型有较好的指导意义,验证结果与算法寻优结果仅相差0.5μm。

陶瓷基板用氮化铝粉体专利解析

功率半导体器件已广泛应用于多个战略新兴产业,而散热问题是影响其性能、可靠性和寿命的关键因素之一。氮化铝粉体具有高热导率等优点,被广泛认为是用于制备半导体功率器件用陶瓷基板的优良材料。本文检索数据库包括CNTXT、ENTXTC、IncoPat,检索语言包括中文(简、繁)、英文、日文、德文、韩文,检索截至日2023年7月31日。检索结果经人工标引,筛选明确记载能够用于制备陶瓷基板或其纯度、粒径、热导率等性能参数能够用于制备陶瓷基板的专利,筛选后相关专利(族)共计306项。基于上述专利标引结果,分析如下。

电子封装陶瓷基板

随着功率器件特别是第三代半导体的崛起与应用,半导体器件逐渐向大功率、小型化、集成化、多功能等方向发展,对封装基板性能也提出了更高要求。陶瓷基板(又称陶瓷电路板)具有热导率高、耐热性好、热膨胀系数低、机械强度高、绝缘性好、耐腐蚀、抗辐射等特点,在电子器件封装中得到广泛应用。本文分析了常用陶瓷基片材料(包括Al2O3、AlN、Si3N4、BeO、SiC和BN等)的物理特性,重点对各种陶瓷基板(包括薄膜陶瓷基板TFC、厚膜印刷陶瓷基板TPC、直接键合陶瓷基板DBC、直接电镀陶瓷基板DPC、活性金属焊接陶瓷基板AMB、激光活化金属陶瓷基板LAM以及各种三维陶瓷基板等)的制备原理、工艺流程、技术特点和具体应用等进行了论述,最后对电子封装陶瓷基板发展趋势进行了展望。

AMB陶瓷基板铝线键合强度的研究

AMB陶瓷基板铝线键合强度对IGBT功率模块的可靠性影响非常大,通常此类产品的可靠性测试项目包括机械振动、机械冲击、高温老化、低温老化、温度循环和功率循环等。长时间的机械和温度循环实验很容易导致键合线脱落和断裂,而键合线失效会直接导致模块无法正常工作。为了提高IGBT功率模块的可靠性,在实际的AMB陶瓷基板生产过程中,就需要控制好产品的铝线键合强度。本文从分析铝线焊点的根部断裂过程和机理入手,结合生产实际,针对铝线关键焊接参数对键合强度的影响程度进行研究,对实验结果使用数理统计的方法进行分析计算,得到了比较稳定的工艺参数。

活性金属钎焊陶瓷基板散热性能仿真研究

近年来,随着电动汽车的快速发展,作为“新三大件”之一的电驱模块中的功率模块的散热和可靠性问题成为了行业研究热点。活性金属钎焊(Active Metal Brazing,AMB)陶瓷基板由于可以实现无氧铜在高热导率的氮化物陶瓷上的可靠附着,表现出优良的冷热循环性能,因此正成为高性能车规功率模块中的关键材料之一。本文采用有限元分析的方法,首先研究了无氧铜层、氮化硅陶瓷、AgCuTi钎焊层厚度对AMB陶瓷基板散热性能及可靠性的影响,也研究了纯Ti钎焊料对AMB陶瓷基板散热性能的影响。研究表明,增加无氧铜厚度能最有效的降低芯片的工作温度,并应当避免陶瓷和无氧铜厚度接近的设计,当铜层厚度从0.05 mm增加到0.3 mm,芯片温度从209.37℃降低至150.88℃。研究也发现了增加AgCuTi焊料层厚度可以提高陶瓷基板的散热性能,但使用纯Ti焊料对陶瓷基板散热性能是不利的。

珠海景旺技术研究中心获认定通过;湖北利之达陶瓷基板项目即将投入生产

近日,广东省科学技术厅公布了2023年度广东省工程技术研究中心名单,由景旺电子科技(珠海)有限公司建设的“广东省集成电路封装载板与类载板工程技术研究中心”经过科技创新能力、科研综合能力、自主知识产权、管理架构与运行管理机制等多方面考核,获得了广东省科学技术厅批准认定。广东省工程技术研究中心是广东省科技创新体系的重要组成部分,是依托行业、领域具有综合优势的单位建设的研发机构,是构建以企业为主体、市场为导向、产学研用深度融合的技术创新体系的重要科研平台。

陶瓷基板化学镀铜预处理的研究

为提高封装基板铜导体层与陶瓷基板的结合强度,研究了在氧化铝和氮化铝的基板上进行化学镀铜,对表面进行粗化和改性,经过优化工艺条件后,氧化铝与镀层的结合强度可以达到27 MPa,氮化铝与镀层的结合强度可以达到22 MPa。

低温共烧陶瓷基板制备技术研究进展

对LTCC (低温共烧陶瓷 )技术的特点及应用作了评述。对目前已研究和使用过的低介电常数和低烧结温度基板材料及综合性能 ,流延浆料有机添加剂进行了对比分析。描述了流延工艺过程和烧结过程。由于对基板材料选择的任意性 ,现有流变学模型的局限性 ,以及低温液相烧结动力学过程机理尚不清晰 ,因此完整清晰地揭示LTCC工艺的物理化学过程仍需作很多工作。

氧化铝陶瓷基板化学镀铜工艺优化

目的化学镀铜是氧化铝陶瓷基板金属化的一种重要手段,为了进一步优化氧化铝陶瓷基板化学镀铜工艺,研究了化学镀铜液配比(尤其是镀液中铜离子和甲醛含量)对氧化铝陶瓷覆铜板微结构和导电性的影响。方法在对氧化铝陶瓷基板经过前期处理后,采用化学镀铜法在基板上镀铜。采用X射线衍射仪、光学显微镜对氧化铝基板上的化学镀铜层物相和形貌进行观察。采用覆层测厚仪、四探针测试仪对化学铜镀层的膜厚和方阻进行测量。结果 XRD结果表明,不同配比镀液得到的化学镀铜层均具有较好的晶化程度,镀液中甲醛和铜含量较低的镀液可制备出晶粒更为细小的化学镀铜层。甲醛和铜离子含量均较高时,沉积速度过快,使镀铜层的均匀性和致密性不佳。但当甲醛含量较高、铜离子含量较低时,沉积速度适中,从而获得了均匀性和致密性较好的镀铜层,同时这种镀层具有良好的导电性。结论采用表面活性化学镀铜工艺,当镀液中甲醛浓度为0.25 mol/L和硫酸铜质量浓度为1.2 g/L时,无需高温热处理,即获得了均匀性和致密性俱佳的铜镀层,可满足覆铜板的使用要求。

铝/氮化铝电子陶瓷基板的制备及性能的研究

在675～750℃、氮气气氛下,使用石墨模具压铸的方法将金属纯Al敷接在AlN电子陶瓷基板上,随后利用力学拉伸试验机测试了Al和AlN的结合强度,其界面抗拉强度>15.94MPa,然后使用金相显微镜、SEM等微观分析仪器研究其界面的微观结构,发现在Al/AlN界面没有任何新物质生成,金属铝晶粒直接在AlN陶瓷表面结晶长大.

低温共烧玻璃陶瓷基板烧结过程分析Ⅰ低温区有机物的分解及变化

利用傅立叶红外谱仪（ＦＴＩＲ）对低温共烧玻璃陶瓷基板排胶过程中有机物的分解情况和分解产物进行了分析。利用ＴＧＡ、ＤＴＡ对基板吸热、放热和热失重情况进行了研究。结果表明：小分子有机物在室温阶段已挥发殆尽。高分子有机物ＰＶＢ在２００～３６０℃温度区间内发生侧链和主链的脱离和断裂，与空气反应生成 ＣＯ２、水蒸汽、丁醛等产物。由于 ＰＶＢ的分解，基板颗粒仅以几何方式堆积，基板没有机械强度。

氧化铝陶瓷基板过孔的新型激光打孔工艺

陶瓷基板激光打孔一固有缺点即孔周围会形成大量不规则堆溅物。提出一种直接在凝胶注模成型陶瓷素坯上激光打孔的新工艺。Nd:YAG激光在氧化铝上打孔的研究表明,该方法能大大减少堆溅物的形成,从而得到分布致密、形状规则的微孔。