numero Sfoglia:0 Autore:材料导报 2017,31(S2),277-281 Pubblica Time: 2025-02-13 Origine:秦典成; 李保忠; 肖永龙; 张军杰
Riassunto: Il substrato di dissipazione del calore è un canale importante per la dissipazione del calore dei componenti elettronici ad alta potenza e la sua conduttività termica influirà direttamente sull'affidabilità e sulla durata dei componenti elettronici di potenza. Questo documento introduce in dettaglio lo schema tecnico e lo stato di sviluppo della metallizzazione superficiale della ceramica come materiale di substrato per la dissipazione del calore con elevata conduttività termica, sottolinea le principali difficoltà tecniche di vari schemi di metallizzazione, confronta e analizza le caratteristiche e le differenze di prestazioni di vari substrati di dissipazione del calore per imballaggi in ceramica e prevede la tendenza di sviluppo dei substrati ceramici su questa base.
Il problema della dissipazione del calore è gradualmente diventato un collo di bottiglia che limita lo sviluppo di prodotti elettronici di potenza nella direzione dell'alta potenza e della luce. Il continuo accumulo di calore nei componenti elettronici di potenza aumenterà gradualmente la temperatura di giunzione del chip e produrrà stress termico, determinando una serie di problemi di affidabilità come durata ridotta e variazioni della temperatura del colore. Nell'applicazione di confezionamento di componenti elettronici di potenza, il substrato di raffreddamento non assume solo le funzioni di collegamento elettrico e supporto meccanico, ma anche un importante canale per la trasmissione del calore. Per i dispositivi elettronici di potenza, il substrato dell'imballaggio deve avere un'elevata conduttività termica, isolamento e resistenza al calore, nonché un'elevata resistenza e un coefficiente di dilatazione termica adeguati al chip.
Attualmente, il substrato di dissipazione del calore comune sul mercato è principalmente il substrato metallico (MCPCB) e il substrato ceramico. A causa della conduttività termica estremamente bassa dello strato di isolamento termico, MCPCB è diventato sempre più difficile da adattare ai requisiti di sviluppo dei componenti elettronici di potenza. Il substrato ceramico come materiale emergente per la dissipazione del calore, le sue prestazioni complete come conduttività termica e isolamento non hanno eguali rispetto al normale MCPCB e la metallizzazione superficiale del substrato ceramico è un prerequisito importante per determinarne l'applicazione pratica.
In questo documento vengono introdotti in dettaglio la tecnologia e lo stato della ricerca sulla metallizzazione superficiale del substrato ceramico, viene descritto il principio di vari schemi di metallizzazione e vengono evidenziati i punti di controllo tecnici chiave di ciascuno schema, al fine di fornire un riferimento tecnico per la selezione del tipo di alimentazione del substrato di imballaggio ceramico LED.
Dopo la sinterizzazione, la superficie del substrato ceramico deve essere metallizzata, quindi il motivo superficiale viene realizzato mediante trasferimento dell'immagine per ottenere le prestazioni di connessione elettrica del substrato ceramico. La metallizzazione superficiale è una parte cruciale della produzione di substrati ceramici, poiché la capacità di bagnatura del metallo ad alte temperature sulla superficie ceramica determina la forza legante tra il metallo e la ceramica, e una buona forza legante è un'importante garanzia per la stabilità delle prestazioni dell'imballaggio LED.
Pertanto, come implementare la metallizzazione sulle superfici ceramiche e migliorare la forza di legame tra di loro è diventato il focus di molti ricercatori scientifici e tecnologici [4,5,6]. Allo stato attuale, i comuni metodi di metallizzazione sulle superfici ceramiche possono essere approssimativamente suddivisi in diverse forme, come il metodo di co-combustione (HTCC e LTCC), il metodo del film spesso (TFC), l'applicazione diretta del metodo del rame (DBC), l'applicazione diretta del metodo dell'alluminio (DBA) e il metodo del film sottile (DPC) [7,8].
I substrati ceramici multistrato co-cotti hanno guadagnato ampia attenzione negli ultimi anni perché possono soddisfare molti requisiti dei circuiti integrati incorporando componenti passivi come linee di segnale e microfili nei substrati utilizzando la tecnologia a film spesso [9].
Esistono due tipi di metodi di co-combustione, uno è la co-combustione ad alta temperatura (HTCC) e l'altro è la co-combustione a bassa temperatura (LTCC). Il flusso del processo dei due è sostanzialmente lo stesso. Il principale processo di produzione è la preparazione dell'impasto liquido, la striscia di colata, l'essiccazione del grezzo verde, la perforazione del foro passante, il foro di riempimento della serigrafia, la linea di serigrafia, la sinterizzazione laminata e l'affettatura finale e altri processi di post-trattamento. La polvere di allumina e l'adesivo organico vengono miscelati per formare un impasto liquido, quindi l'impasto liquido viene trasformato in fogli con un raschietto. Dopo l'essiccazione, si forma la billetta verde ceramica [10]. Quindi, sulla billetta verde vengono elaborati i fori pilota in base ai requisiti di progettazione e viene riempita la polvere metallica. Infine, ogni strato di billetta verde viene laminato, sinterizzato e formato nel forno di co-combustione. Sebbene il processo dei due metodi di co-combustione sia più o meno lo stesso, la temperatura di sinterizzazione è molto diversa. La temperatura di co-combustione dell'HTCC è 1300~1600℃, mentre la temperatura di sinterizzazione dell'LTCC è 850~900℃. Il motivo principale di questa differenza è che l'impasto di sinterizzazione LTCC viene aggiunto per ridurre la temperatura di sinterizzazione del materiale di vetro, cosa che non si trova nell'impasto liquido di sinterizzazione HTCC. Sebbene il materiale di vetro possa ridurre la temperatura di sinterizzazione, la conduttività termica del substrato può essere significativamente ridotta [11,12,13].
Il substrato ceramico co-cotto presenta vantaggi significativi nell'aumentare la densità dell'assieme, accorciare la lunghezza delle interconnessioni, ridurre il ritardo del segnale, ridurre il volume e migliorare l'affidabilità. L'applicazione più comune del substrato co-cotto è quella di seppellire una varietà di dispositivi passivi nella sinterizzazione di pasta ceramica, per realizzare circuiti tridimensionali integrati e non interferenti ad alta densità, montare circuiti integrati e dispositivi attivi sulla sua superficie, realizzare un modulo integrato di successo, ridurre ulteriormente la struttura del circuito, migliorare la densità di integrazione, particolarmente adatto per componenti di comunicazione ad alta frequenza [13]. Tuttavia, poiché sia HTCC che LTCC utilizzano la serigrafia per completare la produzione grafica, la precisione dimensionale e la ruvidità superficiale della grafica sono fortemente influenzate dal processo di stampa. Allo stesso tempo, anche il processo di laminazione può causare facilmente un allineamento grafico non accurato, con conseguente eccessivo accumulo di tolleranze. Inoltre, la billetta verde è soggetta a un ritiro inconsistente durante il processo di sinterizzazione, che in larga misura limita l’applicazione del processo di co-combustione [14,15].
Il metodo a film spesso si riferisce al metodo di serigrafia, la pasta conduttiva viene rivestita direttamente sulla matrice ceramica e quindi sinterizzata ad alta temperatura per rendere lo strato metallico saldamente attaccato alla matrice ceramica. La scelta della pasta conduttrice a film spesso è un fattore chiave nel determinare il processo a film spesso, che consiste in una fase funzionale (ovvero una polvere metallica con una dimensione delle particelle inferiore a 2μm), una fase di legame (legante) e un vettore organico. Le polveri metalliche comuni includono Au, Pt, Au/Pt, Au/Pd, Ag, Ag/Pt, Ag/Pd, Cu, Ni, Al e W, tra cui Ag, Ag/Pd e Cu slurry sono la maggioranza [16]. Il legante è generalmente un materiale di vetro o un ossido di metallo o una miscela dei due e il suo ruolo è quello di collegare la ceramica e il metallo e determinare l'adesione dell'impasto liquido a film spesso alla matrice ceramica, che è la chiave per la produzione dell'impasto liquido a film spesso. La funzione del supporto organico è principalmente quella di disperdere la fase funzionale e legare la fase, e allo stesso tempo di mantenere una certa viscosità dell'impasto a film spesso per prepararsi alla successiva serigrafia, che evaporerà gradualmente durante il processo di sinterizzazione [17].
Allo stato attuale, la ricerca sulla pasta elettronica a film spesso di ossido di alluminio è diventata matura, mentre la pasta elettronica a film spesso di nitruro di alluminio ha ancora un ampio spazio di sviluppo, causato dalla bagnabilità insoddisfacente della maggior parte dei metalli sulle ceramiche di nitruro di alluminio [17]. Per migliorare la forza di legame tra il metallo e la ceramica al nitruro di alluminio nel processo di produzione di film spesso, esistono due metodi comuni. Il primo consiste nell'utilizzare il materiale di vetro come fase di legame per fare in modo che lo strato di metallo e lo strato di AlN raggiungano il legame meccanico; Il secondo consiste nell'aggiungere una sostanza che possa reagire con AlN come fase di legame e ottenere un legame chimico reagendo con AlN. Attualmente, la composizione principale della maggior parte dei sistemi di incollaggio del vetro della sospensione di nitruro di alluminio è SiO2-B2O3, poiché il vetro silicato e il vetro borato hanno un buon effetto bagnante sul nitruro di metallo e alluminio. Inoltre, il punto di rammollimento del vetro borato è basso, il che può migliorare la velocità di cottura e aumentare la densità dopo la sinterizzazione. Tuttavia, il basso punto di rammollimento del borato lo farà anche ammorbidire prima di raggiungere la temperatura di sinterizzazione della metallizzazione, in modo che lo strato metallico non possa formare un'efficace struttura di reticolazione della rete con la ceramica di nitruro di alluminio. L'aggiunta di silicato può risolvere efficacemente questo problema. Allo stesso tempo, le prestazioni della fase vetrosa possono essere ulteriormente migliorate aggiungendo una quantità adeguata di metalli alcalini e metalli alcalino terrosi alla fase vetrosa, poiché i metalli alcalini o alcalino terrosi possono differenziare il vetro e ridurre la viscosità del vetro. Generalmente, con l'aumento della quantità di metallo alcalino o alcalino terroso, la viscosità sarà significativamente ridotta, il che è favorevole a migliorare la fluidità dell'impasto liquido e ad accelerare la metallizzazione e la sinterizzazione. I metalli alcalini o alcalino terrosi comunemente usati includono Li2O, Na2O, K2O, BaO e PdO, ecc. [18,19]. Inoltre, è possibile aggiungere alcune sostanze che possono reagire con il nitruro di alluminio per formare nuove fasi, come Cr2O3, PdO, ZnO, ecc., e la forza di legame di reazione formata dalla nuova fase può essere utilizzata per migliorare la forza di adesione dell'impasto liquido dopo la metallizzazione. È stato sottolineato che alcuni ossidi di metalli alcalino terrosi di silicio e boro, nonché ossidi di zirconio, ferro, piombo e fosforo, possono reagire con AlN per formare nuove sostanze [20,21]. Ad esempio, l'uso della fase di legame ZrB2, a causa della formazione di una nuova fase Al2O3·B2O3 (spinello borale) durante il processo di reazione, la forza di legame tra lo strato metallizzato e la ceramica di nitruro di alluminio può arrivare fino a 24 MPa, e lo ZrO2 generato durante il processo di reazione può anche accelerare l'ossidazione di AlN, promuovendo così la reazione.
Lo spessore dello strato metallico dopo la sinterizzazione del TFC è generalmente di 10~20μm e la larghezza minima della linea è di 0,1 mm. Grazie alla tecnologia matura, al processo semplice e al basso costo, il TFC è stato utilizzato negli imballaggi LED con bassi requisiti di precisione grafica. Allo stesso tempo, il TFC presenta alcuni svantaggi come la bassa precisione grafica (errore pari a ±10%), la stabilità del rivestimento è facilmente influenzata dall'uniformità del liquame, la scarsa planarità della linea (superiore a 3μm) e l'adesione non è facile da controllare, quindi il suo campo di applicazione è limitato.
DBC è un metodo di metallizzazione per incollare un foglio di rame su una superficie ceramica (principalmente Al2O3 e AlN), che è un nuovo processo sviluppato con l'avvento della tecnologia di confezionamento chip on board (COB). Il principio di base è introdurre ossigeno tra Cu e ceramica, quindi formare una fase liquida eutettica Cu/O a 1065~1083℃, quindi reagire con la matrice ceramica e il foglio di rame per formare CuAlO2 o Cu(AlO2)2 e realizzare il legame tra il foglio di rame e la matrice sotto l'azione della fase intermedia. Poiché Al N è una ceramica non-ossido, la chiave per rivestire il rame sulla sua superficie è formare uno strato di transizione Al2O3 sulla sua superficie e realizzare un legame efficace tra il foglio di rame e la matrice ceramica sotto l’azione dello strato di transizione [22].
L'introduzione dell'ossigeno è una fase molto critica nel processo DBC. Il tempo di ossidazione e la temperatura di ossidazione sono i due parametri più importanti in questo processo, che hanno un'influenza molto importante sulla forza legante tra la ceramica e il foglio di rame dopo l'incollaggio. Quando il tempo di ossidazione e la temperatura di ossidazione sono fissati, la matrice Al2O3 senza trattamento di preossidazione nel processo di legame con il foglio di rame, poiché l'ossigeno è difficile da penetrare nell'interfaccia del foglio di rame e del substrato ceramico, la fase liquida Cu/O ha scarsa bagnabilità sul substrato e, infine, un gran numero di buchi e difetti rimarranno sull'interfaccia. Dopo che la matrice è stata preossidata, è possibile fornire un apporto di ossigeno sufficiente contemporaneamente al rivestimento, in modo che la fase liquida Cu/O abbia una buona bagnabilità sulla matrice ceramica e sul foglio di rame, le cavità interfacciali e i difetti siano significativamente ridotti e anche la forza legante tra il foglio di rame e la matrice sia più salda. Per AlN, poiché AlN è un composto con legame covalente forte, la bagnabilità della fase liquida Cu/O è scarsa. Quando il rame DBC viene applicato sulla sua superficie, la bagnabilità della fase liquida Cu/O sulla matrice ceramica deve essere migliorata mediante modifica della superficie per garantire la forza legante del foglio di rame e della matrice. Attualmente, la pratica generale è quella di utilizzare la preossidazione per formare un certo spessore, una dispersione uniforme e una struttura densa di film di Al2O3 sulla superficie di AlN. A causa della mancata corrispondenza tra il coefficiente di dilatazione termica del film di allumina e la matrice di nituso di alluminio, la forza di adesione dell'interfaccia bifase può deteriorarsi a causa dell'esistenza di stress interno a temperatura ambiente, quindi la qualità del film è la chiave del successo del rivestimento successivo. In generale, per ottenere una combinazione efficace dei due, è necessario ridurre lo stress interno tra le fasi AlN e Al2O3 riducendo il più possibile lo spessore del film con la premessa di garantire la densità del film di ossido. Jing Min et al. [23] hanno effettuato uno studio sistematico sul processo DBC e hanno ottenuto un substrato ceramico DBC con resistenza alla pelatura superiore a 6,5 N/mm e conduttività termica di 11,86 W/ (m·K) irruvidendo la superficie ceramica con NaOH fuso. Xie Jianjun et al. [24] hanno preparato materiali di substrato ceramico composito Cu/Al2O3 e Cu/AlN con tecnologia DBC. La forza di adesione tra il foglio di rame e il substrato ceramico AlN superava 8,00 N/mm, ed era presente uno strato di transizione con uno spessore di circa 2μm tra il foglio di rame e la ceramica AlN. I suoi componenti sono principalmente composti Al2O3, CuAlO2 e Cu2O e la forza di legame interfacciale di Cu/AlN aumenta gradualmente con l'aumento della temperatura di legame. AKara-Slimane et al. [25] hanno utilizzato il processo DBC per preparare il substrato ceramico di nitruro di alluminio in condizioni di vuoto, quando la temperatura era di 1000 ℃ e la pressione era di 4-12 MPa, e la resistenza alla pelatura era pari a 32 MPa.
Il foglio di rame ha una buona conduttività elettrica e termica e l'allumina non solo ha una buona conduttività termica, un forte isolamento, un'elevata affidabilità, ma può anche controllare efficacemente l'espansione del complesso CuAl2O3-Cu, in modo che il substrato ceramico DBC abbia un coefficiente di espansione termica simile all'allumina. È stato ampiamente utilizzato nella gestione termica del pacchetto di IGBT, LD e CPV. Poiché i fogli di rame legati pressati a caldo DBC sono generalmente più spessi, compresi tra 100 e 600 μm, hanno una forte capacità di trasporto di corrente e presentano evidenti vantaggi nel campo del packaging IGBT e LD [26].
Sebbene il DBC presenti molti vantaggi nell'applicazione pratica dell'ingegneria, presenta anche i seguenti limiti: (1) il processo DBC richiede l'introduzione di elementi di ossigeno in condizioni di alta temperatura per realizzare la reazione eutettica di Cu e Al2O3, che richiede apparecchiature e controllo del processo elevati e il costo di produzione del substrato è elevato; (2) I micropori si generano facilmente tra gli strati Al2O3 e Cu e la resistenza allo shock termico del substrato ne risentirà; (3) Lo spessore del foglio di rame legato alla superficie DBC è generalmente superiore a 100 μm e la larghezza minima della linea del disegno superficiale è generalmente superiore a 100 μm, il che non è adatto per la produzione di linee sottili.
Il metodo di rivestimento diretto dell'alluminio consiste nell'utilizzare l'alluminio allo stato liquido della ceramica con una buona bagnabilità per ottenere l'applicazione dei due. Quando la temperatura supera i 660 ℃, l'alluminio solido si liquefa, quando l'alluminio liquido bagna la superficie ceramica, con la diminuzione della temperatura, l'alluminio direttamente sulla superficie ceramica fornita dalla crescita della cristallizzazione del nucleo cristallino, raffreddandosi a temperatura ambiente per ottenere la combinazione dei due. Poiché l'alluminio è più attivo, è facile ossidare la pellicola Al2O3 in condizioni di alta temperatura ed è presente sulla superficie dell'alluminio liquido, il che riduce notevolmente la bagnabilità dell'alluminio liquido sulla superficie ceramica, rendendo difficile l'applicazione, quindi deve essere rimosso prima dell'applicazione o dell'applicazione in condizioni prive di ossigeno. Peng Rong et al. [23,27] hanno adottato il metodo di pressofusione di grafite per depositare alluminio liquido puro sulla superficie del substrato Al2O3 e del substrato AlN mediante pressione, e la pellicola Al2O3 è rimasta nella cavità dello stampo a causa della mancanza di fluidità. Dopo il raffreddamento, il substrato DAB è stato preparato con rivestimento insonorizzante.
Poiché la bagnabilità dell’alluminio liquido sulla superficie ceramica è la chiave del successo o del fallimento del DAB, studiosi in patria e all’estero hanno svolto molti lavori di ricerca sulla bagnabilità. Quando KaraSlimane[25] ha utilizzato l'alluminio come strato intermedio per legare Al N/Al/Fe, ha sottolineato che durante il processo di rivestimento è necessario applicare una certa pressione per rompere lo strato Al2O3 che appare sulla superficie dell'alluminio liquido, in modo da realizzare l'efficace rivestimento dell'alluminio con nitruro di alluminio e ferro. La considerazione di cui sopra riguarda il rivestimento fisico, ovvero non vi è alcuna reazione chimica sull'interfaccia alluminio/ceramica, quindi la forza di legame tra alluminio e ceramica dipende dalla cooperazione del blocco meccanico causata dall'aumento della ruvidità tra i due, e la forza legante è relativamente piccola rispetto al DBC. Tuttavia, la combinazione tra i due non prevede la generazione di una seconda fase e presenta il vantaggio di un basso stress dell'interfaccia e di un'elevata conduttività termica dell'interfaccia rispetto al DBC. Prima di rivestire l'alluminio, il trattamento superficiale della ceramica per aumentare la resistenza del rivestimento è un anello fondamentale del processo.
Imai[28] ha scoperto che la ruvidità superficiale del substrato ceramico influisce notevolmente sulle prestazioni del rivestimento e il mantenimento di una certa ruvidità è una condizione necessaria per migliorare la resistenza del rivestimento. Pertanto, il modo in cui trattare il substrato ceramico per modificarne la ruvidità è la chiave per migliorare la forza di adesione tra alluminio e ceramica. Lin et al. [29] hanno studiato la temperatura di legame e le proprietà di Al2O3/Al/Al2O3 e hanno preparato un substrato DAB con elevata forza di legame e conduttività termica di 32 W/ (m·K) a 1100 ℃. Jing Min et al. [23] hanno innanzitutto formato una fase stabile Cu Al2O4 mediante sinterizzazione di Cu2O sul substrato Al2O3 e una pellicola di rame è stata formata sulla superficie del substrato mediante riduzione di H2 a 1 000 ℃. Infine, il contatto tra ossigeno e alluminio metallico è stato isolato mediante magnesio metallico attivo e protezione del toner in ambiente sotto vuoto. Il substrato ceramico DAB con forza di adesione Al/Al2O3 fino a 11,9 MPa è stato preparato mediante rivestimento eutettico a 760℃.
Il substrato ceramico DAB ha una buona stabilità termica, la massa può essere ridotta del 44% rispetto al DBC con la stessa struttura, la capacità di legame del filo di alluminio è buona, lo stress termico tra alluminio/ceramica è relativamente piccolo e si è sviluppato rapidamente negli ultimi anni. Il substrato Al2O3-DAB e il substrato AlN-DAB hanno eccellenti caratteristiche di conduttività termica, buona resistenza alla fatica da shock termico, eccellente stabilità termica, peso strutturale leggero e buona capacità di legame del filo di alluminio. Il modulo del dispositivo di potenza basato sul substrato DAB è stato applicato con successo nell'industria automobilistica giapponese. Attualmente è stato svolto molto lavoro di ricerca sulla tecnologia DAB in patria e all’estero, ma la ricerca sui dettagli dell’interfaccia alluminio/ceramica non è sufficientemente approfondita [4]. A causa delle rigide restrizioni sul contenuto di ossigeno, DAB ha requisiti più elevati per le apparecchiature e il controllo del processo e il costo di produzione del substrato è più elevato. Inoltre, lo spessore dell'alluminio incollato sulla superficie è generalmente superiore a 100 μm, il che non è adatto alla produzione di linee sottili e la sua promozione e applicazione sono quindi limitate.
Il metodo a film sottile è un processo in cui lo strato metallico viene formato sulla superficie ceramica mediante deposizione fisica di vapore (evaporazione sotto vuoto, sputtering con magnetron, ecc.), quindi lo strato del circuito metallico viene formato mediante maschera e attacco. Tra questi, la deposizione fisica da vapore è il processo di produzione di film più comune [30].
La deposizione fisica del vapore consiste nel formare uno strato di pellicola metallica da 3~5μm sulla superficie ceramica mediante evaporazione o sputtering come strato conduttivo del substrato ceramico. La forza del legame dell'interfaccia è il collo di bottiglia tecnico del substrato DPC a causa del cedimento del ciclo termico dello strato di rame e dello strato di ceramica. La forza di adesione della pellicola ceramica e metallica, le prestazioni di saldatura della pellicola metallica e dei trucioli e la conduttività della pellicola metallica stessa sono tre indicatori importanti per misurare la qualità della pellicola. La forza di legame tra la pellicola metallica e il nitruro di alluminio determina la praticabilità e l'affidabilità del substrato ceramico del processo di pellicola, mentre la forza di legame è influenzata dalla forza di van der Waals, dalla forza di legame chimico, dall'adesione per diffusione, dal bloccaggio meccanico, dall'attrazione elettrostatica e dallo stress interno del film stesso, tra cui l'adesione per diffusione e la forza di legame chimico sono i fattori principali. Pertanto, è necessario selezionare Al, Cr, Ti, Ni, Cu e altri metalli con elevata attività e buone prestazioni di diffusione come strato di transizione. Lo strato conduttivo svolge le funzioni di connessione elettrica e saldatura, quindi è necessario selezionare materiali metallici come Au, Cu e Ag con bassa resistività, resistenza alle alte temperature, proprietà chimiche stabili e piccolo coefficiente di diffusione [31]. Zhang Xuebin [32] ha studiato il processo di preparazione del substrato ceramico DPC e i risultati hanno mostrato che la forza di adesione potrebbe essere migliorata utilizzando la lega W/Ti come strato di transizione. Quando lo spessore dello strato di transizione era di 200 nm, la forza di legame del substrato ceramico Al2O3 a film sottile preparato era maggiore di 97,2N. Inoltre, oltre alla preparazione di film sottili mediante deposizione fisica da vapore, alcuni studiosi hanno ottenuto film sottili di rame sulla superficie della ceramica mediante deposizione chimica. Xue Shengjie et al. [13] dell'Università di Chongqing hanno utilizzato il metodo di placcatura chimica per ottimizzare vari parametri di processo. È stato preparato un substrato ceramico a film sottile Al N con forza legante di 18,45 N, conduttività di 2,65×10^6 S/m, velocità di deposizione di 0,026 g/ (s·cm2) e conduttività termica di 147,29 W/ (m·K).
Rispetto ad altri metodi di metallizzazione della superficie ceramica, il processo DPC ha una bassa temperatura operativa, generalmente inferiore a 300°C, che riduce il costo del processo di produzione ed evita efficacemente gli effetti negativi dell'alta temperatura sul materiale. Il substrato DPC utilizza la tecnologia Huang Guangying per produrre circuiti grafici, la larghezza della linea può essere controllata entro 20~30μm, la planarità della superficie può raggiungere 3μm o meno e l'errore di precisione grafica può essere controllato entro ±1%, il che è molto adatto per il packaging di dispositivi elettronici con elevati requisiti di precisione del circuito. In particolare, le superfici superiore e inferiore del substrato ceramico possono essere interconnesse dopo aver tagliato i fori e riempito i fori passanti in rame del substrato DPC mediante laser, soddisfacendo così i requisiti di confezionamento tridimensionale dei dispositivi elettronici. DPC non solo riduce il volume del pacchetto, ma migliora anche efficacemente l'integrazione del pacchetto. Sebbene il substrato ceramico DPC presenti i vantaggi di cui sopra, presenta anche alcuni difetti come lo spessore limitato dello strato di rame depositato mediante galvanica, un elevato inquinamento dei liquidi di scarto galvanici, una bassa forza di adesione tra lo strato metallico e la ceramica e una bassa affidabilità nell'applicazione del prodotto.
Oltre alla connessione elettrica e alla funzione di dissipazione del calore, anche il substrato di dissipazione del calore dell'imballaggio elettronico di tipo energetico deve avere un determinato isolamento, resistenza al calore, resistenza alla pressione e prestazioni di adattamento del calore. Poiché il substrato ceramico ha eccellenti proprietà di conduttività termica e isolamento, presenta importanti vantaggi nell'applicazione di imballaggio di componenti elettronici di potenza e rappresenta una delle principali direzioni di sviluppo del substrato di raffreddamento per imballaggi elettronici di potenza in futuro [33]. Le principali caratteristiche dei substrati ceramici per processi LTCC, HTCC, TFC, DBC, DBA, DPC sono mostrate nella Tabella 1.
Tabella 1 Caratteristiche principali e confronto delle prestazioni di vari substrati ceramici
Finora, Cree, Osram, Philips e Nichia e altri importanti produttori internazionali e nazionali Jiangxi Jingrui, Yimei Xinguang, Hucheng Technology, Foshan Guoxing, Shenzhen Ruifeng, Guangzhou Hongli, Ningbo Shengpu e altre imprese hanno lanciato prodotti elettronici di potenza confezionati in ceramica. Attualmente, grazie alla capacità tecnica, il costo di produzione del substrato ceramico è ancora elevato. Tuttavia, si può prevedere che con il continuo superamento dei colli di bottiglia tecnici e il continuo miglioramento dell'integrazione del pacchetto, l'accettazione da parte del mercato dei substrati ceramici sarà sempre migliore e i prodotti elettronici di potenza che utilizzano la ceramica come substrati di imballaggio saranno sempre più ricchi.
Il substrato ceramico ha un basso coefficiente di dilatazione termica, buona conduttività termica e proprietà di isolamento ed è stato riconosciuto come il materiale di substrato per la dissipazione del calore più promettente nel settore. In alcuni casi, sta gradualmente sostituendo il substrato metallico e diventando la soluzione di gestione termica preferita per la dissipazione del calore di componenti elettronici ad alta potenza [34].
Come accennato in precedenza, la tecnologia di produzione di substrati ceramici attualmente applicata all'imballaggio di componenti elettronici ad alta potenza ha un totale di sei tipi HTCC, LTCC, TFC, DBC, DAB, DPC, di cui la polvere metallica nel processo HTCC è principalmente tungsteno, molibdeno, manganese e altri metalli con alto punto di fusione ma scarsa conduttività elettrica e il suo costo di produzione è elevato, quindi è generalmente meno utilizzato. Il processo LTCC a causa dell'aggiunta di materiali di vetro a bassa conduttività termica nell'impasto liquido, la sua conduttività termica è di soli 2~3 W/ (m·K), rispetto ai normali vantaggi MCPCB non sono evidenti. Allo stesso tempo, la grafica lineare di HTCC e LTCC è realizzata con la tecnologia a film spesso (TFC), che presenta i difetti di una superficie ruvida e di un allineamento impreciso. Inoltre, nel processo di sinterizzazione, esiste anche un problema di ritiro incoerente della billetta ceramica verde, che rende limitata in una certa misura la risoluzione del processo della ceramica co-cotta, e anche la divulgazione e l'applicazione si trovano ad affrontare grandi sfide.
A causa della scarsa bagnabilità del rame in fase liquida sulla superficie ceramica nel processo DBC, è necessario introdurre elementi di ossigeno in condizioni di alta temperatura per ottenere il rivestimento del foglio di rame e della matrice ceramica e si generano facilmente micropori sulla superficie dell'interfaccia, che presenta apparecchiature e requisiti tecnici elevati ed è ancora al centro della ricerca di ricercatori nazionali e stranieri. L'alluminio nel processo DAB è facile da ossidare ad alta temperatura, il che influirà sulla bagnabilità dell'alluminio liquido sulla superficie ceramica e l'applicazione deve essere eseguita in condizioni prive di ossigeno, quindi anche i requisiti per attrezzature e tecnologia sono relativamente severi e al momento non è stata realizzata l'industrializzazione su larga scala. Allo stato attuale, i paesi sviluppati occidentali, il Giappone e la Corea del Sud dispongono di tecnologia DBC e DAB e vantaggi di mercato. Anche alcuni istituti di ricerca scientifica in Cina hanno svolto alcuni lavori di ricerca su DBC e DAB e hanno apportato alcune scoperte tecniche, ma c'è ancora un certo divario rispetto al livello avanzato internazionale, i prodotti sono utilizzati principalmente negli IGBT (diodo bipolare a gate isolato) e LD (diodo laser) e altri imballaggi di dispositivi di potenza. A causa dello spesso strato conduttivo di DBC e DAB, i vantaggi dei due substrati applicati agli imballaggi LED non sono evidenti.
Il processo DPC risolve il problema della scarsa bagnabilità del foglio di rame sulla superficie ceramica introducendo uno strato di transizione metallico sulla superficie ceramica e realizza con successo la metallizzazione della superficie ceramica con la premessa di garantire la forza legante tra lo strato conduttivo e il substrato ceramico. Il substrato ceramico DPC non solo ha un'eccellente conduttività elettrica, ma ha anche un'elevata precisione della linea e levigatezza della superficie, che è molto adatto per il rivestimento dei LED e gli imballaggi LED con processo eutettico, e ha raggiunto l'industrializzazione in termini di scala di produzione ed è attualmente il più in grado di soddisfare le esigenze dei LED ad alta potenza, elevata densità di luce e direzione di sviluppo di piccole dimensioni del substrato di raffreddamento degli imballaggi in ceramica. Attualmente, la regione cinese di Taiwan detiene una posizione di monopolio sulla tecnologia core DPC, rappresentando l'80% della quota di mercato globale dei prodotti, ed è il principale fornitore di substrati di raffreddamento ceramici per i giganti del settore dell'illuminazione dei semiconduttori come Cree, Lumileds e Osram in Germania. Al giorno d'oggi, con il continuo aumento degli sforzi di ricerca e sviluppo, anche la tecnologia dei substrati DPC nel continente ha fatto passi avanti, che possono anche soddisfare in una certa misura le esigenze degli imballaggi LED ad alta potenza per la dissipazione del calore.
Nel contesto della continua innovazione dei colli di bottiglia della tecnologia dei processi di produzione, la fragilità del substrato ceramico è un fatto indiscutibile, come utilizzare la sua eccellente conduttività termica per fornire soluzioni di gestione della dissipazione del calore per l'industria dei LED in rapido sviluppo ed evitare fessurazioni dovute all'eccessiva fragilità nel processo di produzione e utilizzo è anche un problema pratico che non può essere ignorato. Lejian Technology (Zhuhai) Co., Ltd. utilizza il taglio laser o il taglio con mola per tagliare grandi pezzi di ceramica in un numero di piccoli pezzi e impiantarli selettivamente nella struttura FR4, utilizzando il processo di pressatura per combinare insieme ceramica e FR4 per formare una struttura composita di dissipazione del calore. Tra questi, la ceramica funge da canale di dissipazione del calore del chip, in modo che il calore generato dai componenti elettronici durante il processo di lavorazione possa essere rapidamente diffuso verso l'esterno lungo la ceramica, in modo da evitare l'affidabilità dei componenti causata da una scarsa dissipazione del calore, con conseguente rischio di guasti prematuri, come mostrato nella Figura 1 e nella Figura 2. Questo design non solo mantiene la funzione di dissipazione del calore della ceramica, ma risolve anche il problema della ceramica fragile. Allo stesso tempo, è possibile ottenere la lavorazione su FR4, riducendo notevolmente i costi elevati del taglio della ceramica pura. Attualmente, questo tipo di materiale di substrato composito è stato applicato su una certa scala nei campi dei LED ad alta potenza e degli IGBT.
La dissipazione del calore è un problema tecnico chiave nello sviluppo di componenti elettronici di potenza. In considerazione dell'elevata potenza, delle dimensioni ridotte, della leggerezza è diventata la futura tendenza di sviluppo degli imballaggi di componenti elettronici di potenza, il substrato ceramico oltre a eccellenti caratteristiche di conduttività termica, ma ha anche un buon isolamento, resistenza al calore, resistenza alla pressione e buone prestazioni di adattamento termico con il chip, è diventata la prima scelta per la dissipazione del calore degli imballaggi di componenti elettronici di potenza di fascia media e alta. Il processo di metallizzazione della superficie del substrato ceramico è un collegamento importante per realizzare l'uso della ceramica nell'imballaggio di componenti elettronici di potenza. Il metodo di metallizzazione determina le prestazioni, i costi di produzione, la resa del prodotto e il campo di applicazione del substrato ceramico.
1.A cosa servono i substrati ceramici?
I substrati ceramici, con eccellenti proprietà di conduttività termica e isolamento, vengono utilizzati principalmente come substrati di imballaggio per la dissipazione del calore per componenti elettronici ad alta potenza, LED, IGBT e diodi laser (LD), svolgendo le funzioni di connessione elettrica, supporto meccanico e trasferimento di calore.
2.I substrati ceramici possono essere metallizzati in superficie?
SÌ. La metallizzazione superficiale è un prerequisito per l'applicazione ingegneristica di substrati ceramici. I processi principali includono il metodo di co-combustione (HTCC/LTCC), il metodo a film spesso (TFC), il rame legato direttamente (DBC), l'alluminio legato direttamente (DAB), il rame placcato diretto (DPC), ecc. Lo strato metallico consente la conduttività elettrica e la saldabilità della ceramica.
3.Qual è lo stato attuale della ricerca sulla metallizzazione superficiale dei substrati ceramici?
La ricerca attuale si concentra sul miglioramento della forza del legame metallo-ceramica e sulla risoluzione dei problemi di bagnatura dell'interfaccia, nonché sull'ottimizzazione dei parametri per diversi processi. I paesi stranieri detengono vantaggi nelle tecnologie DBC e DAB; La regione cinese di Taiwan monopolizza la tecnologia principale del DPC e anche nella Cina continentale sono stati raggiunti progressi tecnologici.
4.Quali sono le tendenze di sviluppo nella metallizzazione superficiale dei substrati ceramici?
Le tendenze includono il perfezionamento (DPC per imballaggi ad alta precisione), la riduzione dei costi e la ricerca e sviluppo di substrati compositi. Nel frattempo, superare le barriere del processo DBC/DAB promuoverà l’applicazione su larga scala di substrati ceramici nei campi dei LED ad alta potenza e degli IGBT.
5.In che modo la metallizzazione superficiale dei substrati ceramici può influire sulle prestazioni del prodotto?
La metallizzazione superficiale determina direttamente la forza di legame metallo-ceramica, che a sua volta influisce sull'efficienza di dissipazione del calore, sull'affidabilità e sulla durata dei componenti elettronici. Inoltre, la precisione del processo determina la precisione del circuito, soddisfacendo i requisiti dell'imballaggio tridimensionale ad alta precisione.
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