陶瓷基板介紹熱性能測(cè)試

陶瓷基板（銅箔鍵合到氧化鋁基片上的板）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。

二

陶瓷基板的特點(diǎn)

◆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)；無污染、無公害。

◆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。

三

陶瓷基板的種類

一、按材料來分

1、 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，且原料來源豐富，適用于各種各樣的技術(shù)制造以及不同的形狀。

2、BeO

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。

3 、AlN

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。不過隨著經(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。

二、 按制造工藝來分:

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，HTCC\LTCC都屬于燒結(jié)工藝，成本都會(huì)較高。而DBC與DPC則為國(guó)內(nèi)近年來才開發(fā)成熟，且能量產(chǎn)化的專業(yè)技術(shù)，DBC是利用高溫加熱將Al2O3與Cu板結(jié)合，其技術(shù)瓶頸在于不易解決Al2O3與Cu板間微氣孔產(chǎn)生的問題以及開裂的問題，這使得該產(chǎn)品的量產(chǎn)能量與良率受到較大的挑戰(zhàn)，隨著新材料技術(shù)的發(fā)展以及制程工藝的不斷進(jìn)步，DBC的空洞和開裂問題正在探索解決中而大幅度提高產(chǎn)品良率成為可能。而DPC技術(shù)則是利用直接鍍銅技術(shù)，將Cu沉積于Al2O3基板之上，其工藝結(jié)合材料與薄膜工藝技術(shù)，其產(chǎn)品為近年最普遍使用的陶瓷散熱基板。然而其材料控制與工藝技術(shù)整合能力要求較高，這使得跨入DPC產(chǎn)業(yè)并能穩(wěn)定生產(chǎn)的技術(shù)門檻相對(duì)較高。LAM技術(shù)又稱作激光快速活化金屬化技術(shù)。

1、HTCC (High-Temperature Co-fired Ceramic)：HTCC又稱為高溫共燒多層陶瓷，生產(chǎn)制造過程與LTCC極為相似，主要的差異點(diǎn)在于HTCC的陶瓷粉末并無加入玻璃材質(zhì)，因此，HTCC的必須再高溫1300~1600℃環(huán)境下干燥硬化成生胚，接著同樣鉆上導(dǎo)通孔，以網(wǎng)版印刷技術(shù)填孔與印制線路，因其共燒溫度較高，使得金屬導(dǎo)體材料的選擇受限，其主要的材料為熔點(diǎn)較高但導(dǎo)電性卻較差的鎢、鉬、錳…等金屬，最后再疊層燒結(jié)成型。

2、 LTCC (Low-Temperature Co-fired Ceramic)：LTCC 又稱為低溫共燒多層陶瓷基板，此技術(shù)須先將無機(jī)的氧化鋁粉與約30%~50%的玻璃材料加上有機(jī)黏結(jié)劑，使其混合均勻成為泥狀的漿料，接著利用刮刀把漿料刮成片狀，再經(jīng)由一道干燥過程將片狀漿料形成一片片薄薄的生胚，然后依各層的設(shè)計(jì)鉆導(dǎo)通孔，作為各層訊號(hào)的傳遞，LTCC內(nèi)部線路則運(yùn)用網(wǎng)版印刷技術(shù)，分別于生胚上做填孔及印制線路，內(nèi)外電極則可分別使用銀、銅、金等金屬，最后將各層做疊層動(dòng)作，放置于850~900℃的燒結(jié)爐中燒結(jié)成型，即可完成。

3、 DBC (Direct Bonded Copper)：直接敷銅技術(shù)是利用銅的含氧共晶液直接將銅敷接在陶瓷上，其基本原理就是敷接過程前或過程中在銅與陶瓷之間引入適量的氧元素，在1065℃~1083℃范圍內(nèi)，銅與氧形成Cu-O共晶液， DBC技術(shù)利用該共晶液一方面與陶瓷基板發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成 CuAlO2或CuAl2O4相，另一方面浸潤(rùn)銅箔實(shí)現(xiàn)陶瓷基板與銅板的結(jié)合。

四

陶瓷基板的優(yōu)越性

◆陶瓷基板的熱膨脹系數(shù)接近硅芯片，可節(jié)省過渡層Mo片，省工、節(jié)材、降低成本；

◆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，無環(huán)保毒性問題；

◆載流量大，100A電流連續(xù)通過1mm寬0.3mm厚銅體，溫升約17℃；100A電流連續(xù)通過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。

五

陶瓷基板的性能要求

（1）機(jī)械性質(zhì)：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??；在溫度高、濕度大的條件下性能穩(wěn)定，確?？煽啃?。

（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)無公害、無毒性；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。

六

陶瓷基板的用途

◆ 大功率電力半導(dǎo)體模塊；半導(dǎo)體致冷器、電子加熱器；功率控制電路，功率混合電路。

◆智能功率組件；高頻開關(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。

七

陶瓷基板的發(fā)展趨勢(shì)

陶瓷基板產(chǎn)品問世，開啟散熱應(yīng)用行業(yè)的發(fā)展，由于陶瓷基板散熱特色，加上陶瓷基板具有高散熱、低熱阻、壽命長(zhǎng)、耐電壓等優(yōu)點(diǎn)，隨著生產(chǎn)技術(shù)、設(shè)備的改良，產(chǎn)品價(jià)格加速合理化，進(jìn)而擴(kuò)大LED產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域，如家電產(chǎn)品的指示燈、汽車車燈、路燈及戶外大型看板等。陶瓷基板的開發(fā)成功，更將成為室內(nèi)照明和戶外亮化產(chǎn)品提供服務(wù)，使LED產(chǎn)業(yè)未來的市場(chǎng)領(lǐng)域更寬廣。

功率模塊DBC陶瓷基板散熱及穩(wěn)定性功能測(cè)試

碳化硅和氮化鎵是寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體，也是被認(rèn)為要求更高功率和更高溫度的電力電子應(yīng)用最佳材料。由于這些WBG半導(dǎo)體具有優(yōu)異的性能，如寬禁帶（>3eV）、高臨界電場(chǎng)（>3 MV/cm）和高飽和速度（>2x10cm/s），SiC和在功率轉(zhuǎn)換效率方面，GaN可以克服基于硅的器件所達(dá)到的終極性能。

此外，WBG半導(dǎo)體器件的工作溫度（>250℃）比基于硅的器件（<150℃）如圖1/2/3所示，這意味著可以從功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中去除龐大、復(fù)雜和沉重的冷卻系統(tǒng)。逆變器和轉(zhuǎn)換器汽車部件可以通過在高溫環(huán)境中的簡(jiǎn)單散熱設(shè)計(jì)變得更小。通常，功率模塊的結(jié)構(gòu)具有半導(dǎo)體芯片和散熱/絕緣板的多層結(jié)構(gòu)，所有層都有不同的材料特性，例如熱膨脹系數(shù)（CTE），這會(huì)在重復(fù)操作過程中引起熱機(jī)械應(yīng)力。

另外為了承受更高的功率和更高的熱密度，如何絕緣和散熱是WBG功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的關(guān)鍵問題之一。因此，出現(xiàn)了一些問題，例如如何將這些多層互連以在高溫下實(shí)現(xiàn)并具有熱穩(wěn)定可靠性。此外，電力電子陶瓷基板在散熱以防止電力電子模塊故障方面起著重要作用。功率半導(dǎo)體器件與散熱器之間存在直接鍵合銅DBC和直接鍵合鋁DBA的散熱/絕緣陶瓷基板。

熱量從功率半導(dǎo)體器件的表面?zhèn)鬟f到散熱器，DBC和DBA在陶瓷板的兩側(cè)金屬化，以提高陶瓷基板的導(dǎo)熱性并形成電路，由于其優(yōu)異的導(dǎo)熱性、低熱阻和絕緣電壓高。然而，DBC和DBA基板的夾層結(jié)構(gòu)會(huì)由于CTE不匹配而引起熱機(jī)械應(yīng)力。據(jù)報(bào)道，陶瓷基板的耐熱性取決于陶瓷和金屬的類型。在-50℃至250℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行了苛刻的熱沖擊循環(huán)測(cè)試期間，在各種陶瓷應(yīng)用的活性金屬釬焊（AMB）DBC陶瓷基板與鍍鎳層的熱機(jī)械穩(wěn)定性。DBC襯底與氮化硅陶瓷中間層在1000次熱沖擊循環(huán)內(nèi)沒有嚴(yán)重?fù)p壞，而氮化鋁和氧化鋁在相同循環(huán)后由于銅層嚴(yán)重分層。

結(jié)果表明，這些失效可能表明氮化鋁和氧化鋁具有比氮化硅更高的CTE值和更低的韌性的關(guān)鍵缺點(diǎn)。由于以前的研發(fā)只是觀察了DBC陶瓷基板本身，因此故障必須是由Cu和陶瓷之間的不匹配引起的，這意味著應(yīng)力來自DBC。這種熱循環(huán)僅在陶瓷基板樣品中產(chǎn)生均勻的溫度變化如圖4所示。然而，陶瓷基板中的實(shí)際熱分布必須具有較大的溫度梯度，才能將產(chǎn)生的熱量從器件芯片表面?zhèn)鬟f到冷卻系統(tǒng)如圖4所示，在從芯片到冷卻系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)過程中，由CTE失配引起的應(yīng)力比單個(gè)DBC陶瓷基板更復(fù)雜，因此在設(shè)計(jì)功率模塊時(shí)迫切需要評(píng)估這種實(shí)際的溫度分布。在這種情況下，功率循環(huán)測(cè)試是一種非常有用的評(píng)估方法，用于評(píng)估在類似于實(shí)際操作條件下使用的器件封裝的可靠性。

在這個(gè)過程中，這種陶瓷基板的傳熱性能主要取決于所采用的陶瓷材料的熱性能，例如氧化鋁、氮化鋁和氮化硅，這些在功率模塊需要導(dǎo)電銅和絕緣陶瓷的全面組合，包括層厚和電路圖案，以同時(shí)實(shí)現(xiàn)熱管理和最小的功率損耗。通常要在功率循環(huán)測(cè)試后測(cè)量器件的熱阻，需要一個(gè)功率循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備和一個(gè)T3ster系統(tǒng)，即熱瞬態(tài)測(cè)試儀系統(tǒng)。它是一種監(jiān)測(cè)通過設(shè)備的熱傳輸技術(shù)。然而，動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)和T3ster系統(tǒng)非常昂貴，需要占用大量空間。實(shí)際上需要一個(gè)簡(jiǎn)單、快速和小型化的熱測(cè)量系統(tǒng)。

在碳化硅微加熱器芯片中，并用于與各種類型的DBC陶瓷基板如氮化鋁和氧化鋁以及氮化硅鍵合。Ag燒結(jié)連接被用作連接材料的模具，因?yàn)樗梢猿惺芨邷貞?yīng)用，并且在許多先前的研究中都有講到，測(cè)量了不同類型DBC的SiC微加熱器芯片到冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)熱阻。此外，還進(jìn)行了功率循環(huán)測(cè)試，以研究每種類型DBC陶瓷基板上的SiC微加熱器芯片貼片結(jié)構(gòu)的高溫可靠性。通過微焦點(diǎn)3D計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT) X射線系統(tǒng)分析電源循環(huán)后的故障。這種方法可以顯著區(qū)別于傳統(tǒng)的熱循環(huán)測(cè)試，因?yàn)榭梢栽谥貜?fù)的熱環(huán)境中考慮材料的熱性能。