SiC功率模块封装材料的研究进展

随着SiC功率模块的高频高速、高压大电流、高温、高散热和高可靠发展趋势,基于封装结构和封装材料的SiC功率模块封装技术也在不断地更新换代。与封装结构相比,SiC功率模块封装材料的相关研究报道较少。该文从封装材料角度出发,综述近年来陶瓷覆铜基板、散热底板、黏结材料、互连材料及灌封材料的研究进展,同时引出相关封装材料的研究重点,以满足SiC功率模块的应用需求。

基于氮化铝HTCC的表面Cu互连制备技术

针对高集成密度、高散热封装外壳发展需求,基于氮化铝(AlN)高温共烧陶瓷(HTCC)多层基板,结合直接镀铜(DPC)工艺,提出了一种薄厚膜相结合的高散热封装基板及其制备方法。重点对氮化铝HTCC与表面铜(Cu)层间的结合力进行研究和优化,通过扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和剥离强度测试仪分析和研究了界面的微观结构和力学性能。研究结果表明:与氮化铝/钛钨(TiW)/Cu相比,氮化铝/钛(Ti)/Cu界面的缺陷更少,金属Ti的黏附性能更优,拉脱断裂面在陶瓷基板上。当采用厚度为400 nm的Ti作为黏附层时,表面金属化剥离强度高达592 MPa,实现了高界面结合力,保证了产品封装性能的稳定性。

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。

化学镀铜过程混合电位本质的研究

现场测量了铜基和陶瓷基化学镀铜过程混合电位-时间曲线(Emix-t),成功地检测到了化学镀诱发过程.考察了添加剂和络合剂的浓度以及pH值对Emix-t曲线的影响,结合阴、阳极极化曲线及双电层理论对各种影响因素进行了讨论.新生铜活化的铜基化学镀铜的诱发过程是一个缓慢激活过程,所对应的Emix-t曲线是一个稍微倾斜的台阶,这不同于钯活化的基体的诱发过程.通过对不同活化工艺的Emix-t曲线的比较,发现较高的活化温度能明显减少活化时间,而且还可加速诱发过程,从而提高化学沉积铜的速度.

DBC 电子封装基板研究进展

综述了 DBC 电子封装基板的研究进展,介绍了 DBC 电子封装基板材料的选择、敷接的关键技术及其在电子封装中的使用特点,并展望了 DBC 电子封装基板的应用前景。

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。

内嵌陶瓷电路板的PCB基板制备及其LED封装性能

普通印刷电路板(PCB)材料热导率低,散热性能不佳,难以用于封装大功率器件。本文提出并制备了一种直接电镀铜陶瓷基板(DPC)的PCB基板(以下简称“内嵌基板”),利用陶瓷材料高热导率强化基板局部散热,并将其应用于大功率LED封装。使用胶粘剂将DPC基板固定在开窗的PCB基板中,电互连后得到内嵌基板。相较于普通PCB基板,相同电流下内嵌基板表面温度低,温升趋势放缓,当电流从200 mA增加到400 mA时,内嵌基板温升比普通PCB基板低约42.1℃。当电流为350 mA时,内嵌基板封装的LED样品热阻和结温变化分别为15.55 K/W和9.36℃,其光功率随电流增加而增大,并始终高于同电流下普通PCB基板封装LED;在400 mA时,两者光功率相差约16.7%。实验表明,内嵌基板是一种高性能、低成本的封装基板,可有效提高大功率LED散热性能,满足功率器件封装应用需求。

陶瓷微细镀覆新技术的研究

建立微机处理体系(包括线路、图形设计,光照点选择及活化处理等)与化学镀铜相结合的微细镀覆新技术.该技术可在Al2O3基底上获得性能良好的Cu镀层,其布线速率达 50mm/s,线分辨率 35μm,工艺简便,条件温和,为陶瓷微细镀覆开辟了新途径.

陶瓷基片化学镀铜工艺研究

采用多种工艺对比的方法,研究了陶瓷基片化学镀铜工艺及其特点,结果表明:(1)采用化学镀铜的方法可以实现陶瓷基片的金属化;(2)基片表面孔隙的存在对提高膜/基结合力的作用是有限的,为获得结合良好的镀层,仍需对陶瓷基片进行粗化处理;(3)前处理工艺中,须注意强化除油清洗效果以进一步净化表面孔隙;(4)镀液浓度影响镀层的沉积速率及结合力。

超声波在陶瓷基片化学镀铜中的作用研究

采用了将超声波辅助化学镀铜工艺与传统化学镀铜工艺对比的方法，研究了超声波辅助处理在陶瓷基片化学镀铜（包括前处理）中的作用，结果表明：超声波辅助处理影响化学镀铜的全过程，具体体现为：超声波辅助除油及粗化处理有利于形成致密、表面平整度高的铜层，超声波辅助敏化和活化处理使铜层表面的平整度下降，超声波辅助处理对化学镀中铜的均匀沉积不利。同时分析了超声波辅助处理对沉积速率及铜层显微硬度的影响。

直接覆铜陶瓷板界面及其高温行为研究

本研究利用大电流高密度等离子体溅射沉积技术,在Al_2O_3和AlN陶瓷板的表面沉积不同的过渡层和铜层,经电镀将真空溅射铜层进行加厚,实现陶瓷基板金属化。通过界面结合强度测试,分析了不同过渡层对界面结合强度的影响;利用SEM、DTA、XRD等研究了直接覆铜陶瓷板截面形貌及在高温退火后的界面行为。结果表明,与无过渡层和AlO_x过渡层相比Cr、Ti可大幅度提高界面粘附强度,在550℃退火后Cr和Ti在界面处和铜层发生合金化作用,甚至生成金属间化合物,Cr和Ti元素与Al_2O_3和AlN基体以及铜层具有强的相互作用,过渡层的引入可大幅度提高覆铜层和陶瓷的结合强度,从而有效提高陶瓷覆铜板的使用可靠性。

陶瓷基板表面金属层结合强度测试与失效分析

为了评估电子器件封装质量与可靠性,需要准确测量直接镀铜陶瓷基板(DPC)表面金属层与陶瓷基片间的结合强度。采用拉伸法对DPC陶瓷基板表面金属层结合强度进行了测试,分析了测试后基板断裂面的微观形貌与基板横截面元素组成。结果显示:以金属层面积作为受力面积计算强度时,所得平均拉伸强度为12.13 MPa;测试中基板断裂位置均为金属层下方陶瓷内,断裂面形貌符合陶瓷脆性断裂特征;基板横截面微观形貌及EDS能谱分析表明,过渡层金属钛(Ti)向陶瓷侧和铜侧发生了扩散,提高了金属与陶瓷间结合强度,同时陶瓷内部存在孔洞缺陷,受到外界拉力时易产生裂纹而出现脆性断裂。研究结果表明,DPC陶瓷基板金属与陶瓷间结合强度较高,基板最薄弱部位为金属层下方的陶瓷。

高精度陶瓷基板化学镀多层膜技术研究

描述了针对高精度陶瓷基板采用化学镀的技术,对陶瓷基板线条进行金属化,达到多种膜层结构,以满足产品所需要的特殊厚度、电性能和金丝压焊的要求。研究了化学镀厚铜、离子钯活化、化学镀镍和化学镀厚金溶液的各项参数变化,以及参数变化对陶瓷基板线条厚度和精度的影响。并对实验结果进行分析,讨论各种现象出现的原因。

浅谈大功率LED陶瓷基板制作工艺及填通孔技术

介绍了将直接镀铜工艺和填通孔技术相结合制备大功率LED(发光二极管)陶瓷基板的工艺流程,重点介绍了采用直流电镀一步法、脉冲电镀一步法和脉冲电镀两步法填通孔的常用配方和填充效果。

溅射覆铜陶瓷基板表面研磨技术研究

溅射覆铜(Direct Plate Copper,DPC)陶瓷基板具有导热/耐热性好、图形精度高、可垂直互连等技术优势,广泛应用于功率半导体器件封装。在DPC陶瓷基板制备过程中,电镀铜层厚度及其均匀性、表面粗糙度等对基板性能及器件封装质量影响极大。对比分析了几种研磨技术对DPC陶瓷基板性能的影响,实验结果表明,砂带研磨效率高,但铜层表面粗糙度高,只适用于DPC陶瓷基板表面粗磨加工;数控研磨与陶瓷刷磨加工的铜层厚度均匀性好,表面粗糙度低,满足光电器件倒装共晶封装需求(粗糙度小于0.3μm,厚度极差小于30μm);对于质量要求更高(如表面粗糙度小于0.1μm,铜厚极差小于10μm)的DPC陶瓷基板,则必须采用粗磨+化学机械抛光(Chemical-Mechanical Polishing,CMP)的组合研磨工艺。

氧化铝的直接电镀

讨论了在氧化铝基板上的厚膜应用领域中采取直接电镀的方法。研究了建立在钯涂层、碳涂层和导电聚合物基础上的三种直接电镀的方法，测定和比较了它们与传统电镀／ 化学镀技术的操作步序、电镀速度和膜层结合力等技术指标。

耐高温微系统气密封装技术及高温可靠性研究

针对武器装备、航空航天等领域高温封装需求,提出一种耐高温微系统气密封装技术.选用氮化铝直接电镀陶瓷基板(direct plated ceramic substrate, DPC)作为封装散热基板,可伐(Kovar)合金作为封装盖板,金锡合金(Au80Sn20)作为焊接材料实现气密封装,并通过有限元模拟优化了最小焊接应力下的焊环厚度.根据设计方案制备了集成热敏电阻和微型加速度计的微系统器件.测试结果表明,微系统封装样品焊接质量良好,界面无孔隙和裂纹.将封装后的微系统在200℃下老化1000 h,测试其老化前后的气密性和芯片电性能.结果表明,老化后微系统仍具有较高气密性,封装漏率达到10-9Pa·m3/s量级,热敏电阻及微型加速度计电信号正常.实验证明该耐高温微系统气密封装技术可满足高温应用可靠性需求,有望应用于航空航天及军工领域.

化学镀铜对厚膜敷铜陶瓷基板敷铜层的影响

通过化学镀铜对厚膜敷铜陶瓷基板敷铜层进行致密化处理,采用SEM、XRD、导电性测试和结合力测试研究了化学镀铜对敷铜层结构和性能的影响。结果表明:基板敷铜层经化学镀铜处理后,孔洞深度明显变浅、平均孔径由10μm下降为3μm;表面铜层和中间层结合得更加紧密,敷接强度增加了143.6 N/cm2。同时,基板敷铜层的表面方阻由4.30 mΩ/□下降至3.02 mΩ/□,敷铜层的导电性能增强。