Stato della ricerca e tendenza allo sviluppo della metallizzazione superficiale dei substrati ceramici

Riassunto: il substrato di dissipazione del calore è un canale importante per la dissipazione del calore di componenti elettronici ad alta potenza e la sua conducibilità termica influenzerà direttamente l'affidabilità e la durata di servizio dei componenti elettronici di tipo potenza. Questo documento introduce in dettaglio lo schema tecnico e lo stato di sviluppo della metallizzazione superficiale della ceramica come materiale del substrato che si dissipano il calore con alta conducibilità termica, sottolinea le principali difficoltà tecniche di vari schemi di metallizzazione, confronta e analizza le caratteristiche e le differenze di prestazione di vari ceramica ceramica Imballaggio di substrati che si dissolvono il calore e prevede la tendenza di sviluppo dei substrati ceramici su questa base.

0. Introduzione Con il continuo progresso della tecnologia elettronica, il problema della dissipazione del calore è diventato gradualmente un collo di bottiglia che limita lo sviluppo di prodotti elettronici di potenza nella direzione di alta potenza e luce. L'accumulo continuo di calore nei componenti elettronici di potenza aumenterà gradualmente la temperatura di giunzione del chip e producerà stress termici, con conseguente serie di problemi di affidabilità come la riduzione della vita e le variazioni della temperatura del colore. Nell'applicazione di imballaggio di componenti elettronici di tipo potenza, il substrato di raffreddamento non solo assume le funzioni di connessione elettrica e supporto meccanico, ma anche un canale importante per la trasmissione di calore. Per i dispositivi elettronici di potenza, il substrato di imballaggio dovrebbe avere un'elevata conducibilità termica, isolamento e resistenza al calore, nonché un coefficiente di espansione ad alta resistenza e di espansione termica che corrisponde al chip.

Allo stato attuale, il substrato comune di dissipazione del calore sul mercato è principalmente substrato metallico (MCPCB) e substrato ceramico. A causa della conduttività termica estremamente bassa dello strato di isolamento termico, MCPCB è diventato sempre più difficile da adattarsi ai requisiti di sviluppo dei componenti elettronici di tipo energia. Il substrato ceramico come materiale di dissipazione del calore emergente, le sue prestazioni complete come la conducibilità termica e l'isolamento non sono eguali da MCPCB ordinaria e la metallizzazione superficiale del substrato ceramico è un importante prerequisito per determinarne l'applicazione pratica.

In questo documento, viene introdotto in dettaglio lo stato della tecnologia e della ricerca della metallizzazione della superficie del substrato ceramico e viene descritto il principio di vari schemi di metallizzazione e vengono indicati i punti chiave di controllo tecnico di ciascuno schema, al fine di fornire riferimento tecnico per il Selezione del substrato di imballaggio in ceramica a LED di alimentazione.

1. Stato di ricerca della metallizzazione della superficie ceramica

Dopo la sinterizzazione, la superficie del substrato ceramico deve essere metallizzata, quindi il modello di superficie viene effettuato mediante trasferimento di immagini per ottenere le prestazioni di connessione elettrica del substrato ceramico. La metallizzazione della superficie 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 di legame tra il metallo e la ceramica e una buona forza di legame è una garanzia importante per la stabilità di prestazioni di imballaggio a LED.

Pertanto, come implementare la metallizzazione sulle superfici ceramiche e migliorare la forza di legame tra loro è diventato al centro di molti ricercatori scientifici e tecnologici [4,5,6]. Allo stato attuale, i metodi di metallizzazione comuni sulle superfici ceramiche possono essere approssimativamente divisi in diverse forme, come il metodo di co-fila (HTCC e LTCC), il metodo del film spesso (TFC), l'applicazione diretta del metodo di rame (DBC), l'applicazione diretta dell'alluminio Metodo (DBA) e metodo a film sottile (DPC) [7,8].

1.1 Metodo di co-filmato (HTCC/LTCC)

I substrati in ceramica multistrato cofiscati hanno acquisito ampia attenzione negli ultimi anni perché possono soddisfare molti requisiti di circuiti integrati incorporando componenti passivi come linee di segnale e microwstrati nei substrati usando una tecnologia di film spessa [9].

Esistono due tipi di metodo di co-co-co-flaring, uno è co-fuoco di alta temperatura (HTCC) e l'altro è a bassa temperatura (LTCC). Il flusso di processo dei due è sostanzialmente lo stesso. Il processo di produzione principale è la preparazione di liquami, la striscia di fusione, l'asciugatura verde vuoto, la perforazione attraverso il foro, il foro di riempimento della stampa dello schermo, la linea di stampa schermata, la sinterizzazione laminata e il taglio finale e altri processi post-trattamento. La polvere di allumina e l'adesivo organico vengono miscelati per formare una sospensione, quindi la sospensione viene elaborata in fogli con un raschietto. Dopo l'essiccazione, viene formata billetta verde ceramica [10]. Quindi, i fori pilota vengono elaborati sulla billetta verde in base ai requisiti di progettazione e la polvere di metallo viene riempita. Infine, ogni strato di billetta verde è laminato, sinterizzato e formato nella fornace di co-co-faring. Sebbene il processo dei due metodi di co-co-conducimento sia all'incirca lo stesso, la temperatura di sinterizzazione è molto diversa. La temperatura di co-congazione di HTCC è di 1300 ~ 1600 ℃, mentre la temperatura di sinterizzazione di LTCC è 850 ~ 900 ℃. Il motivo principale di questa differenza è che viene aggiunta la sospensione della sinterizzazione LTCC per ridurre la temperatura di sinterizzazione del materiale di vetro, che non è nella sospensione co-filata 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-filato presenta vantaggi significativi nell'aumentare la densità di assemblaggio, accorciamento della lunghezza di interconnessione, riducendo il ritardo del segnale, riducendo il volume e miglioramento dell'affidabilità. L'applicazione più comune del substrato co-filato è quella di seppellire una varietà di dispositivi passivi nella sinterizzazione della pasta in ceramica, per rendere integrato il circuito integrato tridimensionale e non interferenti, montare IC e dispositivi attivi sulla sua superficie Il modulo, riduce ulteriormente la struttura del circuito, migliora la densità di integrazione, in particolare adatto a componenti di comunicazione ad alta frequenza [13]. Tuttavia, poiché HTCC e LTCC utilizzano entrambi la stampa schermata per completare la produzione grafica, l'accuratezza dimensionale e la rugosità superficiale della grafica sono notevolmente influenzati dal processo di stampa. Allo stesso tempo, il processo di laminazione è anche facile da causare all'allineamento grafico non è accurato, con conseguente accumulo di tolleranza eccessiva. Inoltre, la billetta verde è soggetta a restringimento incoerente durante il processo di sinterizzazione, che in larga misura limita l'applicazione del processo di co-finanziamento [14,15].

1.2 Metodo in ceramica a pellicola spessa (TFC)

Il metodo del film spesso si riferisce al metodo di stampa dello schermo, la pasta conduttiva è rivestita direttamente sulla matrice ceramica e quindi sinterizzato ad alta temperatura per rendere lo strato di metallo saldamente attaccato alla matrice ceramica. La selezione di una pasta di conduttore di film spesse è un fattore chiave per determinare il processo di film spesso, che consiste in una fase funzionale (cioè una polvere di metallo con una dimensione di particelle inferiore a 2μm), una fase di legame (legante) e un vettore organico. Le polveri di metallo 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 Sluriture sono la maggioranza [16] . Il legante è generalmente un materiale di vetro o 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 del grasso di film spesso alla ceramica a matrice, che è la chiave per la produzione di una spessa Sfida del film. La funzione del vettore organico è principalmente quella di disperdere la fase funzionale e legare la fase e allo stesso tempo mantenere una certa viscosità della spessa sospensione del film per prepararsi alla successiva stampa dello schermo, che evapora gradualmente durante il processo di sinterizzazione [ 17].

Allo stato attuale, la ricerca sull'ossido di alluminio pasta elettronica di film spessa è diventata matura, mentre la pasta elettronica di pellicola spessa di nitruro di alluminio ha ancora una grande spazio per lo sviluppo, causato dalla bagnabilità insoddisfacente della maggior parte dei metalli alla ceramica di nitruro di alluminio [17]. Al fine di migliorare la forza di legame tra ceramica di nitruro di metallo e alluminio nel processo di produzione di film spessi, ci sono due metodi comuni. Uno è usare il materiale di vetro come fase di legame per rendere lo strato di metallo e lo strato ALN raggiungi il legame meccanico; Il secondo è quello di aggiungere una sostanza che può reagire con ALN ​​come fase di legame e ottenere il legame chimico reagendo con ALN. Allo stato attuale, la composizione principale della maggior parte dei sistemi di legame di vetro di liquame di nitruro di alluminio è Sio2-B2O3, che è perché il vetro di silicato e il vetro borato hanno un buon effetto bagnante su nitruro di metallo e alluminio. Inoltre, il punto di ammorbidimento del vetro borato è basso, il che può migliorare la velocità di sparo e migliorare la densità dopo la sinterizzazione. Tuttavia, il basso punto di ammorbidimento del borato lo farà ammorbidire prima di raggiungere la temperatura di sinterizzazione della metallizzazione, in modo che lo strato di metallo non possa formare un'efficace struttura di reticolazione della rete con ceramica di nitruro di alluminio. L'aggiunta di silicato può risolvere efficacemente questo problema. Allo stesso tempo, le prestazioni della fase di vetro possono essere ulteriormente migliorate aggiungendo una quantità adeguata di metallo alcalino e metallo alcalino alla fase di vetro, poiché il metallo di terra alcalino o alcalino può differenziare il vetro e ridurre la viscosità del vetro. In generale, con l'aumento della quantità di metallo alcalino o alcalino, la viscosità sarà significativamente ridotta, il che è favorevole al miglioramento della fluidità della sospensione e ad accelerare la metallizzazione e la sinterizzazione. I metalli di terra alcali o alcalina comunemente usati includono Li2O, Na2o, K2O, Bao e PDO, ecc. [18,19]. Inoltre, è possibile aggiungere alcune sostanze che possono reagire con 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 resistenza dell'adesione Sfida dopo la metallizzazione. È stato sottolineato che alcuni ossidi di metallo di terra alcalino 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 boral) durante il processo di reazione, la forza di legame tra lo strato metallizzato e la ceramica di nitruro di alluminio può essere alta fino a 24 MPA e il 24 MPA e il 24MPA e il 24MPA e il 24 MPA e il 24 MPA e il Zro2 generato durante il processo di reazione può anche accelerare l'ossidazione di ALN, promuovendo così la reazione.

Lo spessore dello strato di metallo dopo la sinterizzazione TFC è generalmente 10 ~ 20 μm e la larghezza minima della linea è di 0,1 mm. A causa della tecnologia matura, del processo semplice e del basso costo, TFC è stato utilizzato negli imballaggi a LED con bassi requisiti di precisione grafica. Allo stesso tempo, il TFC ha alcuni svantaggi come una bassa precisione grafica (l'errore è ± 10%), la stabilità del rivestimento è facilmente influenzata dall'uniformità del liquame, la scarsa piattaforma di linea (sopra 3μm) e l'adesione non è facile da controllare, quindi la sua gamma di applicazioni è limitato.

1.3 Metodo di rame legato diretto (DBC)

DBC è un metodo di metallizzazione per legare il foglio di rame su una superficie ceramica (principalmente AL2O3 e ALN), che è un nuovo processo sviluppato con la tecnologia di packaging del CHIP ON ASSERE DI CHIP (COB). Il principio di base è introdurre ossigeno tra Cu e ceramica, quindi formare una fase liquida Cu/o eutettica 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 e realizzare l'accesso tra foglio di rame e 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 lamina di rame e ceramica a matrice sotto l'azione dello strato di transizione [22].

L'introduzione dell'ossigeno è un passo molto critico 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 di legame tra la ceramica e il foglio di rame dopo il legame. Quando il tempo di ossidazione e la temperatura di ossidazione sono fissa Una scarsa bagnabilità sul substrato e infine un gran numero di fori e difetti rimarrà sull'interfaccia. Dopo che la matrice è stata pre-ossidata, l'approvvigionamento di ossigeno sufficiente può essere somministrato contemporaneamente al rivestimento, quindi la fase liquida Cu/O ha una buona bagnabilità sulla matrice ceramica e il foglio di rame, le cavità e i difetti interfacciali sono significativamente ridotti, e Anche la forza di legame tra lamina di rame e la matrice è più ferma. Per ALN, poiché ALN è un forte composto di legame covalente, 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 di legame del foglio di rame e della matrice. Allo stato attuale, la pratica generale è quella di usare la pre-ossidazione per formare un certo spessore, dispersione uniforme e una struttura densa del film Al2O3 sulla superficie di ALN. A causa della mancata corrispondenza tra il coefficiente di espansione termica del film di allumina e la matrice di nituse in alluminio, la forza di legame dell'interfaccia a due fasi 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, al fine di 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 sotto la premessa di garantire la densità del film di ossido . Jing Min et al. [23] ha condotto uno studio sistematico sul processo DBC e ha ottenuto un substrato ceramico DBC con resistenza alla buccia superiore a 6,5 ​​N / mm e conducibilità termica di 11,86 W / (m · k) mediante irruvidità la superficie ceramica con NaOH fuso. Xie Jianjun et al. [24] preparato materiali per substrato ceramico Cu/Al2O3 e Cu/Aln con tecnologia DBC. La forza di legame tra foglio di rame e substrato in ceramica Aln ha superato 8,00 N /mm e c'era uno strato di transizione con uno spessore di circa 2μm tra foglio di rame e ceramica ALN. I suoi componenti sono principalmente composti AL2O3, Cualo2 e Cu2o e la resistenza al legame interfacciale di Cu/ALN aumenta gradualmente con l'aumento della temperatura di legame. Akara-Slimane et al. [25] hanno usato 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 peeling era alta quanto 32 MPa.

Il foglio di rame ha una buona conduttività elettrica e termica e l'allumina non ha solo una buona conduttività termica, una forte isolamento, un'elevata affidabilità, ma può anche controllare efficacemente l'espansione del complesso Cual2o3-Cu, in modo che il substrato in ceramica DBC abbia un coefficiente di espansione termica simile di allumetto . È stato ampiamente utilizzato nella gestione termica del pacchetto di IGBT, LD e CPV. Poiché i fogli di rame incollati a caldo DBC sono generalmente più spessi, che vanno da 100 a 600 μm, hanno una forte capacità di trasporto di corrente e presentano evidenti vantaggi nel campo di IGBT e packaging LD [26].

Sebbene il DBC abbia molti vantaggi nell'applicazione pratica ingegneristica, ha anche le seguenti carenze: (1) il processo DBC richiede l'introduzione di elementi di ossigeno in condizioni di alta temperatura per fare reazioni eutettiche di Cu e Al2O3, che richiede un elevato controllo del processo e il controllo del processo Il costo di produzione del substrato è elevato; (2) Le micro-pozzi sono facilmente generate tra gli strati AL2O3 e Cu e la resistenza agli shock termici del substrato sarà influenzata; (3) Lo spessore del foglio di rame legato alla superficie DBC è generalmente più di 100 μm e la larghezza minima della linea del modello di superficie è generalmente maggiore di 100 μm, il che non è adatto alla produzione di linee sottili.

1.4 in alluminio diretto in alluminio (DAB)

Il metodo di rivestimento diretto in alluminio consiste nell'utilizzare l'alluminio nello stato liquido della ceramica ha una buona bagnabilità per ottenere l'applicazione dei due. Quando la temperatura sale superiore a 660 ℃, l'alluminio solido liquefatto, 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, raffreddando a temperatura ambiente per raggiungere la combinazione di combinazione dei due. Poiché l'alluminio è più attivo, è facile ossidare il film Al2O3 in condizioni di alta temperatura ed esiste sulla superficie dell'alluminio liquido, il che riduce notevolmente la bagnabilità dell'alluminio liquido sulla superficie ceramica, rendendo difficile raggiungere l'applicazione, quindi deve essere rimosso prima dell'applicazione o dell'applicazione in condizioni prive di ossigeno. Peng Rong et al. [23,27] ha adottato il metodo di fusione della mafita di grafite per posare in alluminio liquido puro sulla superficie del substrato AL2O3 e del substrato ALN per pressione e il film AL2O3 è rimasto nella cavità dello stampo a causa della mancanza di fluidità. Dopo il raffreddamento, il substrato DAB è stato preparato con il rivestimento sonoro.

Poiché la bagnabilità dell'alluminio liquido sulla superficie ceramica è la chiave del successo o del fallimento di DAB, gli studiosi in patria e all'estero hanno svolto molti lavori di ricerca sulla bagnabilità. Quando Karaslimane [25] ha usato l'alluminio come strato intermedio per legare Al N/AL/FE, ha sottolineato che una certa pressione deve essere applicata durante il processo di rivestimento per rompere lo strato AL2O3 che appare sulla superficie dell'alluminio liquido, in modo da realizzare Il rivestimento efficace di alluminio con nitruro di alluminio e ferro. La considerazione di cui sopra è il rivestimento fisico, cioè non vi è alcuna reazione chimica nell'interfaccia in alluminio/ceramica, quindi la forza di legame tra alluminio e ceramica dipende dalla cooperazione meccanica del blocco causato dall'aumento della rugosità e dal legame La forza è relativamente piccola rispetto a DBC. Tuttavia, la combinazione tra i due non ha una generazione di seconda fase e ha il vantaggio di una bassa sollecitazione di interfaccia e conduttività termica ad alta interfaccia rispetto al DBC. Prima dell'alluminio di rivestimento, il trattamento superficiale della ceramica per aumentare la resistenza del rivestimento è un collegamento di processo molto chiave.

Imai [28] ha scoperto che la rugosità superficiale del substrato ceramico influisce notevolmente sulle prestazioni del rivestimento e il mantenimento di una certa rugosità è una condizione necessaria per migliorare la resistenza al rivestimento. Pertanto, come trattare il substrato ceramico per cambiare la sua rugosità è la chiave per migliorare la forza di legame tra alluminio e ceramica. Lin et al. [29] hanno studiato la temperatura di legame e le proprietà di AL2O3/AL/AL2O3 e hanno preparato il substrato DAB con elevata resistenza al legame e conducibilità termica di 32 W/(M · K) a 1100 ℃. Jing Min et al. [23] In primo luogo ha formato una fase stabile Cu Al2O4 sincronizzando Cu2o sul substrato AL2O3 e un film di rame è stato formato sulla superficie del substrato mediante riduzione di H2 a 1 000 ℃. Infine, il contatto tra ossigeno e alluminio metallico è stato isolato mediante protezione attiva del magnesio e del toner in ambiente a vuoto. Il substrato ceramico DAB con resistenza al legame 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 della stessa struttura, la capacità di legame in alluminio è buona, lo stress termico tra alluminio/ceramica è relativamente piccolo e si è sviluppata rapidamente in recente in recente anni. Il substrato AL2O3-DAB e il substrato ALN-DAB hanno eccellenti caratteristiche di conducibilità termica, una buona resistenza alla fatica di shock termico, un'eccellente stabilità termica, il peso strutturale della luce e la buona capacità di legame in alluminio. Il modulo di dispositivo di alimentazione basato sul substrato DAB è stato applicato con successo nel settore automobilistico giapponese. Al momento, sono stati svolti molti lavori di ricerca sulla tecnologia DAB in patria e all'estero, ma la ricerca sui dettagli dell'interfaccia in alluminio/ceramica non è abbastanza profonda [4]. A causa delle rigide restrizioni sul contenuto di ossigeno, DAB ha requisiti più elevati per le attrezzature e il controllo dei processi e il costo di produzione del substrato è più elevato. E lo spessore dell'alluminio legato alla superficie è generalmente più di 100 μm, il che non è adatto alla produzione di linee sottili e la sua promozione e applicazione sono quindi limitate.

1.5 Metodo del film sottile (rame placcato diretto, DPC)

Il metodo del film sottile è un processo in cui lo strato di metallo si forma sulla superficie ceramica mediante deposizione di vapore fisico (evaporazione del vuoto, sputtering del magnetron, ecc.), E quindi lo strato del circuito metallico è formato da maschera e incisione. Tra questi, la deposizione di vapore fisico è il processo di produzione di film più comune [30].

La deposizione di vapore fisico è quella di formare uno strato di pellicola in metallo da 3 ~ 5μm sulla superficie ceramica mediante evaporazione o sputtering come strato conduttivo del substrato ceramico. La resistenza al legame dell'interfaccia è il collo di bottiglia tecnico del substrato DPC a causa del fallimento del ciclo termico dello strato di rame e dello strato ceramico. La forza di legame del film in ceramica e metal, la performance di saldatura di Metal Film and Chip e la conduttività del film in metallo stesso sono tre importanti indicatori per misurare la qualità del film. La forza di legame tra il film in metallo e il nitruro di alluminio determina la praticabilità e l'affidabilità del substrato ceramico del processo del film, mentre la forza di legame è influenzata dalla forza di van der Waals, dalla forza di legame chimica, dall'adesione della diffusione, dall'attrazione meccanica, dall'attrazione elettrostatica e dallo stress interno Il film stesso, tra cui l'adesione della diffusione e la forza di legame chimico sono i principali fattori. Pertanto, è necessario selezionare AL, CR, TI, NI, Cu e altri metalli con alta attività e buone prestazioni di diffusione come livello di transizione. Lo strato conduttivo intraprende le funzioni della connessione elettrica e della saldatura, quindi è necessario selezionare materiali metallici come AU, Cu e AG con bassa resistività, resistenza ad alta temperatura, proprietà chimiche stabili e coefficiente di diffusione di piccole dimensioni [31]. Zhang Xuebin [32] ha studiato il processo di preparazione del substrato ceramico DPC e i risultati hanno mostrato che la resistenza al legame potrebbe essere migliorata utilizzando la lega W/TI come livello di transizione. Quando lo spessore dello strato di transizione era di 200 nm, la forza di legame del substrato ceramico Al2O3 preparato era maggiore di 97,2N. Inoltre, oltre alla preparazione di film sottili mediante deposizione di vapore fisico, alcuni studiosi hanno ottenuto pellicole sottili di rame sulla superficie della ceramica mediante placcatura elettrolitica. Xue Shengjie et al. [13] dell'Università di Chongqing ha utilizzato il metodo di placcatura elettroless per ottimizzare vari parametri di processo. Substrato ceramico a film sottile con forza di legame di 18,45 N, conducibilità di 2,65 × 10^6 s/ m, è stata preparata un tasso di deposizione di 0,026 g/ (s · cm2) e conducibilità 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 avversi delle alte temperature sul materiale. Il substrato DPC utilizza la tecnologia Huang Guangying per produrre un circuito grafico, la larghezza della linea può essere controllata in 20 ~ 30μm, la piattaforma di superficie può raggiungere 3μm o meno e l'errore di accuratezza grafica può essere controllato entro ± 1%, che è molto adatto per Packaging di dispositivi elettronici con requisiti di precisione ad alto circuito. In particolare, le superfici superiori e inferiori del substrato ceramico possono essere interconnesse dopo aver tagliato i fori e riempire il rame attraverso i fori del substrato DPC da parte del laser, soddisfacendo così i requisiti di imballaggio 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 abbia i vantaggi di cui sopra, ha anche alcune carenze come lo spessore limitato di strato di rame depositato elettroplativo, un grande inquinamento del liquido di scarto elettroplativo, una bassa resistenza al legame tra strato metallico e ceramica e bassa affidabilità nell'applicazione del prodotto.

2 Confronto per le prestazioni e tendenza allo sviluppo del substrato in ceramica

2.1 Confronto delle prestazioni del substrato ceramico

Oltre alla connessione elettrica e alla funzione di dissipazione del calore, il substrato di dissipazione di calore del packaging elettronico di tipo di alimentazione deve anche avere un determinato isolamento, resistenza al calore, resistenza alla pressione e prestazioni di abbinamento del calore. Poiché il substrato ceramico ha eccellenti proprietà di conducibilità termica e isolamento, ha importanti vantaggi nell'applicazione di imballaggio dei componenti elettronici di potenza ed è una delle principali direzioni di sviluppo del substrato di raffreddamento di imballaggi elettronici di potenza in futuro [33]. Le caratteristiche principali di substrati ceramici di processo LTCC, HTCC, TFC, DBC, DBA, DPC sono mostrate nella Tabella 1.

Tabella 1 Caratteristiche principali e confronto delle prestazioni di vari substrati in ceramica

Finora, Cree, Osram, Philips e Nichia e altri principali produttori internazionali e Jiangxi Jingrui, Yime Xinguang, Hucheng Technology, Foshan Guoxing, Shenzhen Ruifeng, Guangzhou H Anggli, Ningbo Shengpu e altre imprese hanno lanciato prodotti elettronici a pattuglia. Al momento, a causa della capacità tecnica, il costo di produzione del substrato ceramico è ancora elevato. Tuttavia, si può prevedere che con la continua svolta di colli di bottiglia tecnici e il continuo miglioramento dell'integrazione dei pacchetti, l'accettazione del mercato dei substrati ceramici sarà sempre più migliorata e i prodotti elettronici di potenza che utilizzano ceramiche poiché i substrati di imballaggio saranno sempre più ricchi.

2.2 tendenza di sviluppo del substrato in ceramica

Il substrato ceramico ha un basso coefficiente di espansione termica, buona conducibilità termica e proprietà di isolamento ed è stato riconosciuto come il materiale del substrato di dissipazione di 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].

As mentioned above, the ceramic substrate manufacturing technology currently applied to high-power electronic component packaging has a total of HTCC, LTCC, TFC, DBC, DAB, DPC six kinds, of which the metal powder in the HTCC process is mainly tungsten, molybdenum , manganese e altri metalli con elevato punto di fusione ma scarsa conducibilità elettrica e il suo costo di produzione è elevato, quindi è generalmente meno usato. Processo LTCC A causa dell'aggiunta di bassa conduttività termica dei materiali di vetro nella sospensione, la sua conduttività termica è solo 2 ~ 3 W/ (m · k), rispetto ai normali vantaggi di MCPCB non sono evidenti. Allo stesso tempo, la grafica di linea di HTCC e LTCC è realizzata dalla tecnologia di Film Film (TFC), che ha le carenze di superficie ruvida e allineamento impreciso. Inoltre, nel processo di sinterizzazione, esiste anche un problema di restringimento incoerente della billetta verde ceramica, che rende la risoluzione del processo della ceramica co-caduta limitata in una certa misura e anche la divulgazione e l'applicazione stanno affrontando grandi sfide.

A causa della scarsa bagnabilità del rame in fase liquida sulla superficie ceramica nel processo DBC, gli elementi di ossigeno devono essere introdotti in condizioni di alta temperatura per raggiungere il rivestimento di lamina di rame e ceramica a matrice e le micro-pozzi sono facilmente generate sulla superficie dell'interfaccia, che ha elevate attrezzature e requisiti tecnici ed è ancora al centro della ricerca da parte di ricercatori nazionali ed 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 le attrezzature e la tecnologia sono Al momento non è stata realizzata industrializzazione dura e su larga scala. Al momento, paesi sviluppati occidentali, Giappone, Corea del Sud hanno la tecnologia DBC e DAB e vantaggi di mercato. Alcuni istituti di ricerca scientifica in Cina hanno anche svolto alcuni lavori di ricerca su DBC e DAB e hanno realizzato alcune scoperte tecniche, ma c'è ancora un certo divario rispetto al livello avanzato internazionale, i prodotti sono utilizzati principalmente in IGBT (diodo bipolare a gate isolato) e LD (diodo laser) e altri imballaggi per dispositivi di alimentazione. A causa dello spesso strato conduttivo di DBC e DAB, i vantaggi dei due substrati applicati alla confezione a LED non sono evidenti.

Il processo DPC risolve il problema della scarsa bagnabilità del foglio di rame sulla superficie ceramica introducendo il metallo a strato di transizione sulla superficie ceramica e realizza con successo la metallizzazione della superficie ceramica sulla premessa di garantire la forza di legame tra strato conduttivo e substrato ceramico. Il substrato in ceramica DPC non ha solo un'eccellente conducibilità elettrica, ma ha anche una precisione di linea alta e una levigatezza superficiale, il che è molto adatto per il rivestimento a LED e il processo a LED di processo eutettico e ha raggiunto l'industrializzazione in termini di scala di produzione ed è attualmente il più in grado di farlo Soddisfa le esigenze del portato ad alta potenza, ad alta densità della luce e direzione di piccole dimensioni dello sviluppo del substrato di raffreddamento dell'imballaggio in ceramica. Al momento, la regione cinese di Taiwan ricopre una posizione monopolistica sulla tecnologia Core DPC, rappresentando l'80% della quota di mercato globale dei prodotti ed è il principale fornitore di substrati di raffreddamento in ceramica per giganti dell'industria dell'illuminazione a semiconduttore come Cree, Lumileds e Osram in Germania. Al giorno d'oggi, con il continuo aumento degli sforzi di ricerca e sviluppo, la tecnologia del substrato DPC nella terraferma ha anche fatto scoppioni, che possono anche soddisfare le esigenze di imballaggi a LED ad alta potenza per la dissipazione del calore in una certa misura.

In base allo sfondo del continuo svolta del collo di bottiglia della tecnologia dei processi di produzione, la fragilità del substrato ceramico è un fatto indiscutibile, come utilizzare la sua eccellente conducibilità termica per fornire soluzioni di gestione della dissipazione del calore per l'industria a LED in rapido sviluppo e per evitare il crack a causa dell'eccessiva fragilità eccessiva Nel processo di produzione e utilizzo è anche un problema pratico che non può essere ignorato. Lejian Technology (Zhuhai) Co., Ltd. utilizza il taglio del taglio o la macinatura del laser per tagliare grandi pezzi di ceramica in una serie di piccoli pezzi e impiantare selettivamente nella struttura FR4, usando il processo di pressione per combinare insieme la ceramica e la FR4 formare una struttura dissipante di calore composito. 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 lavoro possa essere rapidamente diffuso nel mondo esterno lungo la ceramica, in modo da evitare l'affidabilità dei componenti causati mediante scarsa dissipazione del calore, con conseguente rischio di fallimento prematuro, come mostrato nella Figura 1 e nella Figura 2. Questo progetto non solo mantiene la funzione di dissipazione del calore della ceramica, ma risolve anche il problema della fragile ceramica. Allo stesso tempo, la lavorazione può essere raggiunta su FR4, il che riduce notevolmente l'alto costo di taglio della ceramica pura. Al momento, questo tipo di materiale di substrato composito è stato applicato su una certa scala nei campi di LED e IGBT ad alta potenza.

3 Osservazioni di chiusura

La dissipazione del calore è un problema tecnico chiave nello sviluppo di componenti elettronici di potenza. In considerazione dell'elevata potenza, le dimensioni ridotte, le leggere sono diventate la tendenza allo sviluppo futuro del packaging dei componenti elettronici di potenza, il substrato ceramico oltre alle eccellenti caratteristiche di conducibilità termica, ma ha anche un buon isolamento, resistenza al calore, resistenza alla pressione e buone prestazioni di abbinamento termico con Il chip è diventato la prima scelta per la dissipazione di calore del packaging elettronico di alimentazione media e di fascia alta. Il processo di metallizzazione della superficie del substrato ceramico è un collegamento importante per realizzare l'uso della ceramica nella confezione dei componenti elettronici di potenza. Il metodo di metallizzazione determina le prestazioni, i costi di produzione, la resa del prodotto e la gamma di applicazioni del substrato ceramico.