陶瓷基板是指銅箔在高溫下直接鍵合到氧化鋁(Al2O3)或氮化鋁(AlN)陶瓷基片表面( 單面或雙面)上的特殊工藝板。所制成的超薄復(fù)合基板具有優(yōu)良電絕緣性能,高導(dǎo)熱特性,優(yōu)異的軟釬焊性和高的附著強(qiáng)度,并可像PCB板一樣能刻蝕出各種圖形,具有很大的載流能力。因此,陶瓷基板已成為大功率電力電子電路結(jié)構(gòu)技術(shù)和互連技術(shù)的基礎(chǔ)材料。
◆機(jī)械應(yīng)力強(qiáng),形狀穩(wěn)定;高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱率、高絕緣性;結(jié)合力強(qiáng),防腐蝕。
◆ 較好的熱循環(huán)性能,循環(huán)次數(shù)達(dá)5萬(wàn)次,可靠性高。
◆與PCB板(或IMS基片)一樣可刻蝕出各種圖形的結(jié)構(gòu);無(wú)污染、無(wú)公害。
◆使用溫度寬-55℃~850℃;熱膨脹系數(shù)接近硅,簡(jiǎn)化功率模塊的生產(chǎn)工藝。
1、 氧化鋁(Al2O3)
氧化鋁基板是電子工業(yè)中最常用的基板材料,因?yàn)樵跈C(jī)械、熱、電性能上相對(duì)于大多數(shù)其他氧化物陶瓷,強(qiáng)度及化學(xué)穩(wěn)定性高,且原料來(lái)源豐富,適用于各種各樣的技術(shù)制造以及不同的形狀。斯利通氧化鋁基板已經(jīng)可以進(jìn)行三維定制。
具有比金屬鋁還高的熱導(dǎo)率,應(yīng)用于需要高熱導(dǎo)的場(chǎng)合,但溫度超過(guò)300℃后迅速降低,最重要的是由于其毒性限制了自身的發(fā)展。
AlN有兩個(gè)非常重要的性能值得注意:一個(gè)是高的熱導(dǎo)率,一個(gè)是與Si相匹配的膨脹系數(shù)。缺點(diǎn)是即使在表面有非常薄的氧化層也會(huì)對(duì)熱導(dǎo)率產(chǎn)生影響,只有對(duì)材料和工藝進(jìn)行嚴(yán)格控制才能制造出一致性較好的AlN基板。AlN生產(chǎn)技術(shù)國(guó)內(nèi)像斯利通這樣能大規(guī)模生產(chǎn)的少之又少,相對(duì)于Al2O3,AlN價(jià)格相對(duì)偏高許多,這個(gè)也是制約其發(fā)展的小瓶頸。不過(guò)隨著經(jīng)濟(jì)的提升,技術(shù)的升級(jí),這種瓶頸終會(huì)消失。
綜合以上原因,可以知道,氧化鋁陶瓷由于比較優(yōu)越的綜合性能,在微電子、功率電子、混合微電子、功率模塊等領(lǐng)域還是處于主導(dǎo)地位而被大量運(yùn)用。
Si3N4的斷裂韌性甚至超過(guò)了氧化鋯摻雜陶瓷。
隨著 HEV/EV 和可再生能源應(yīng)用的增長(zhǎng),設(shè)計(jì)者找到了新方法來(lái)確保這些推動(dòng)極具挑戰(zhàn)性的新技術(shù)發(fā)展所需的電子元件的可靠性。由于工作壽命比電力電子使用的其它陶瓷長(zhǎng)10倍或者更高,所以氮化硅基板能夠提供對(duì)于達(dá)到必要的可靠性要求至關(guān)重要的機(jī)械強(qiáng)度。陶瓷基板的壽命是由在不出現(xiàn)剝離和其它影響電路功能與安全的故障的情況下,基板可以承受的熱循環(huán)重復(fù)次數(shù)來(lái)衡量的。該測(cè)試通常是通過(guò)從 -55°C 到 125°C 或者 150°C 對(duì)樣品進(jìn)行循環(huán)運(yùn)行來(lái)完成的。
curamik? 產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理 Manfred Goetz 說(shuō):“我們目前的測(cè)試結(jié)果(-55°C至150°C)表明,curamik? 氮化硅基板的使用壽命比汽車市場(chǎng),特別是 HEV/EV,通常使用的基板長(zhǎng)十倍以上。同樣使用氮化硅基板也令整個(gè)模塊的壽命大大提升。”
使用壽命的延長(zhǎng)對(duì)于所有將大型半導(dǎo)體晶片直接鍵合到基板上的功率模塊應(yīng)用而言都至關(guān)重要,并且對(duì)結(jié)溫較高(高達(dá)250°C)的 SiC 和 GaN 晶片尤為重要。curamik? 氮化硅基板的熱導(dǎo)率為 90 W/mK,超過(guò)了市面上其它基板的平均值。
新款基板的機(jī)械強(qiáng)度使我們能夠利用更薄的陶瓷層,從而降低了熱阻,提高了功率密度,削減了系統(tǒng)成本。
與Al2O3 和 AlN 基板相比,其撓曲強(qiáng)度改善了很多, 設(shè)計(jì)師們將因此而受益。氮化硅的斷裂韌性甚至超過(guò)了氧化鋯摻雜陶瓷,在 90 W/mK 的熱導(dǎo)率下達(dá)到了6.5~7 MPa/√m。
現(xiàn)階段較普遍的陶瓷散熱基板種類共有HTCC、LTCC、DBC、DPC、LAM五種,其中LAM屬于斯利通與華中科技大學(xué)國(guó)家光電實(shí)驗(yàn)室合作的專利技術(shù),HTCC\LTCC都屬于燒結(jié)工藝,成本都會(huì)較高。
◆減少焊層,降低熱阻,減少空洞,提高成品率;
◆在相同載流量下 0.3mm厚的銅箔線寬僅為普通印刷電路板的10%;
◆ 優(yōu)良的導(dǎo)熱性,使芯片的封裝非常緊湊,從而使功率密度大大提高,改善系統(tǒng)和裝置的可靠性;
◆ 超薄型(0.25mm)陶瓷基板可替代BeO,無(wú)環(huán)保毒性問(wèn)題;
◆載流量大,100A電流連續(xù)通過(guò)1mm寬0.3mm厚銅體,溫升約17℃;100A電流連續(xù)通過(guò)2mm寬0.3mm厚銅體,溫升僅5℃左右;
◆熱阻低,10×10mm陶瓷基板的熱阻0.63mm厚度陶瓷基片的熱阻為0.31K/W ,0.38mm厚度陶瓷基片的熱阻為0.19K/W,0.25mm厚度陶瓷基片的熱阻為0.14K/W。
◆ 絕緣耐壓高,保障人身安全和設(shè)備的防護(hù)能力。
◆ 可以實(shí)現(xiàn)新的封裝和組裝方法,使產(chǎn)品高度集成,體積縮小。
有足夠高的機(jī)械強(qiáng)度,除搭載元件外,也能作為支持構(gòu)件使用;加工性好,尺寸精度高;容易實(shí)現(xiàn)多層化;
表面光滑,無(wú)翹曲、彎曲、微裂紋等。
(2)電學(xué)性質(zhì)
絕緣電阻及絕緣破壞電壓高;
介電常數(shù)低;
介電損耗小;
在溫度高、濕度大的條件下性能穩(wěn)定,確保可靠性。
(3)熱學(xué)性質(zhì)
熱導(dǎo)率高;
熱膨脹系數(shù)與相關(guān)材料匹配(特別是與Si的熱膨脹系數(shù)要匹配);
耐熱性優(yōu)良。
(4)其它性質(zhì)
化學(xué)穩(wěn)定性好;容易金屬化,電路圖形與其附著力強(qiáng);
無(wú)吸濕性;耐油、耐化學(xué)藥品;a射線放出量??;
所采用的物質(zhì)無(wú)公害、無(wú)毒性;在使用溫度范圍 內(nèi)晶體結(jié)構(gòu)不變化;
原材料豐富;技術(shù)成熟;制造容易;價(jià)格低。
◆ 大功率電力半導(dǎo)體模塊;半導(dǎo)體致冷器、電子加熱器;射頻功率控制電路,功率混合電路。
◆智能功率組件;高頻開(kāi)關(guān)電源,固態(tài)繼電器。
◆汽車電子,航天航空及軍用電子組件。
◆太陽(yáng)能電池板組件;電訊專用交換機(jī),接收系統(tǒng);激光等工業(yè)電子。