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        【原創(chuàng)】DPC陶瓷基板有何獨特之處?關鍵技術有哪些?應用于哪些領域?


        來源:中國粉體網(wǎng)   山川

        [導讀]  中國粉體網(wǎng)將在鄭州舉辦“2021第四屆新型陶瓷技術與產(chǎn)業(yè)高峰論壇”。屆時,來自華中科技大學的陳明祥教授帶來題為《高性能陶瓷電路板技術研發(fā)與應用》的報告。

        中國粉體網(wǎng)訊


        電子器件的散熱有多重要?


        對于電子器件而言,通常溫度每升高10°C,器件有效壽命就降低30%~50%。因此,選用合適的封裝材料與工藝、提高器件散熱能力就成為發(fā)展功率器件的技術瓶頸。


         

        (圖片來源:深圳市金瑞欣特種電路技術有限公司)


        陶瓷基板材料選擇


        良好的器件散熱依賴于優(yōu)化的散熱結構設計、封裝材料選擇(熱界面材料與散熱基板)及封裝制造工藝等。其中,基板材料的選用是關鍵環(huán)節(jié),直接影響到器件成本、性能與可靠性。


        目前,陶瓷基板雖然不是處于主導地位,但由于其良好的導熱性、耐熱性、絕緣性、低熱膨脹系數(shù)和成本的不斷降低,在電子封裝特別是功率電子器件如IGBT(絕緣柵雙極晶體管)、LD(激光二極管)、大功率LED(發(fā)光二極管)、CPV(聚焦型光伏)封裝中的應用越來越廣泛。陶瓷基板材料主要有Al2O3、BeO、AlN、Si3N4、SiC等。


        (1)Al2O3陶瓷基板


        Al2O3陶瓷基板由于價格低廉、力學性能較好,而且工藝技術純熟,是目前應用最為廣泛的陶瓷基板材料。但是Al2O3陶瓷的熱導率較低(24W/(m•k),在一定程度上限制了其在大功率電子產(chǎn)品中的應用。


        (2)BeO陶瓷基板


        BeO陶瓷導熱性能優(yōu)良,綜合性能良好,能夠滿足較高的電子封裝要求,但是其熱導率隨溫度波動變化較大,溫度升高其熱導率大幅下降。此外,BeO有劇毒,已逐漸淡出封裝應用領域。


        (3)SiC陶瓷基板


        SiC陶瓷具有很高的熱導率,熱膨脹系數(shù)也與Si接近,而且SiC的物理性能較好,具有高耐磨性和高硬度,但是SiC是強共價鍵化合物,燒結溫度高達2000多攝氏度,而且需要加入少量的燒結助劑才能燒結致密,導致SiC陶瓷基板制備能耗大,生產(chǎn)成本高。


        (4)Si3N4陶瓷基板


        Si3N4陶瓷的熱導率與抗彎強度較高,能滿足集成電路向高集成化、多層化、輕型化等特性發(fā)展,另外Si3N4陶瓷的強度和斷裂韌性較高,耐熱疲勞性能良好,是一種有著良好發(fā)展前景的高熱導率高強度陶瓷基板材料。


        (5)AlN陶瓷基板


        AlN陶瓷作為一種新型的LED封裝基板材料,具有熱導率高(其理論熱導率可達320W/(m•k))、強度高、熱膨脹系數(shù)低、介電損耗小、耐高溫及化學腐蝕,而且無毒環(huán)保等優(yōu)良性能,是被國內(nèi)外一致看好最具發(fā)展前景的一種陶瓷材料。


        直接鍍銅陶瓷基板(DPC)


         

        (圖片來源:同欣電子)


        DPC又稱直接鍍銅陶瓷基板。其制作首先將陶瓷基片進行前處理清洗,利用真空濺射方式在基片表面沉積Ti/Cu層作為種子層,接著以光刻、顯影、刻蝕工藝完成線路制作,最后再以電鍍/化學鍍方式增加線路厚度,待光刻膠去除后完成基板制作。

         


        DPC基板制備工藝流程


        DPC的優(yōu)點與不足


        優(yōu)點:


        (1)低溫工藝(300℃以下),完全避免了高溫對材料或線路結構的不利影響,也降低了制造工藝成本。


        (2)采用薄膜與光刻顯影技術,使基板上的金屬線路更加精細(線寬尺寸20~30μm,表面平整度低于0.3μm,線路對準精度誤差小于±1%),因此DPC基板非常適合對準精度要求較高的電子器件封裝。


        缺點:


        (1)電鍍沉積銅層厚度有限,且電鍍廢液污染大;


        (2)金屬層與陶瓷間的結合強度較低,產(chǎn)品應用時可靠性較低;


        (3)電鍍生長速度低,線路層厚度有限(一般控制在10μm~100μm),難以滿足大電流功率器件封裝需求。


        DPC關鍵技術


        1、金屬線路層與陶瓷基片的結合強度


        由于金屬與陶瓷間熱膨脹系數(shù)差較大,為降低界面應力,需要在銅層與陶瓷間增加過渡層,從而提高界面結合強度。由于過渡層與陶瓷間的結合力主要以擴散附著及化學鍵為主,因此常選擇Ti、Cr和Ni等活性較高、擴散性好的金屬作為過渡層(同時作為電鍍種子層)。


        2、電鍍填孔


        電鍍填孔也是DPC陶瓷基板制備的關鍵技術。目前DPC基板電鍍填孔大多采用脈沖電源,其技術優(yōu)勢包括:易于填充通孔,降低孔內(nèi)鍍層缺陷;表面鍍層結構致密,厚度均勻;可采用較高電流密度進行電鍍,提高沉積效率。


        DPC基板應用


        1、IGBT封裝


        絕緣柵雙極晶體管以輸入阻抗高、開關速度快、通態(tài)電壓低、阻斷電壓高等特點,成為當今功率半導體器件發(fā)展主流。其應用小到變頻空調(diào)、靜音冰箱、洗衣機、電磁爐、微波爐等家用電器,大到電力機車牽引系統(tǒng)等。由于IGBT輸出功率高,發(fā)熱量大,因此對IGBT封裝而言,散熱是關鍵。目前IGBT封裝主要采用DBC陶瓷基板,原因在于DBC具有金屬層厚度大,結合強度高(熱沖擊性好)等特點。


        2、LD封裝


        激光二極管(LD)又稱半導體激光器,是一種基于半導體材料受激輻射原理的光電器件,具有體積小、壽命長、易于浦和集成等特點。廣泛應用于激光通信、光存儲、光陀螺、激光打印、測距以及雷達等領域。溫度與半導體激光器的輸出功率有較大關系。散熱是LD封裝關鍵。由于LD器件電流密度大,熱流密度高,陶瓷基板成為LD封裝的首選熱沉材料。


        3、LED封裝


        縱觀LED技術發(fā)展,功率密度不斷提高,對散熱的要求也越來越高。由于陶瓷具有的高絕緣、高導熱和耐熱、低膨脹等特性,特別是采用通孔互聯(lián)技術,可有效滿足LED倒裝、共晶、COB(板上芯片)、CSP(芯片規(guī)模封裝)、WLP(圓片封裝)封裝需求,適合中高功率LED封裝。


        4、光伏(PV)模組封裝


        光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應原理,利用太陽能電池將太陽光直接轉(zhuǎn)化為電能。由于聚焦作用導致太陽光密度增加,芯片溫度升高,必須采用陶瓷基板強化散熱。實際應用中,陶瓷基板表面的金屬層通過熱界面材料(TIM)分別與芯片和熱沉連接,熱量通過陶瓷基板快速傳導到金屬熱沉上,有效提高了系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換效率與可靠性。


        中國粉體網(wǎng)將在鄭州舉辦“2021第四屆新型陶瓷技術與產(chǎn)業(yè)高峰論壇”。屆時,來自華中科技大學陳明祥教授帶來題為《高性能陶瓷電路板技術研發(fā)與應用》的報告,陳明祥教授將重點介紹電鍍陶瓷基板(DPC)技術研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化及其在功率半導體、高溫電子器件、高頻晶振、小型熱電制冷器TEC等領域應用,并對相關技術發(fā)展進行展望。(鑒于當前防控需要,原定于2021年8月13-14日在鄭州喆鵬酒店舉辦的“第四屆新型陶瓷技術與產(chǎn)業(yè)高峰論壇”將延期舉辦,計劃參會的單位可以聯(lián)系會務組,具體舉辦日期主辦方確定后將第一時間通知您。


        專家介紹:


        陳明祥,華中科技大學機械學院教授/博士生導師,武漢光電國家研究中心研究員,廣東省珠江學者講座教授。本科和碩士畢業(yè)于武漢理工大學材料學院,博士畢業(yè)于華中科技大學光電學院,美國佐治亞理工學院封裝研究中心博士后。主要從事先進電子封裝與微納制造技術研究,主持和參與各類科研項目20余項,發(fā)表學術論文60余篇(其中SCI檢索40余篇),獲授權發(fā)明專利20余項(其中DPC陶瓷基板技術已通過專利轉(zhuǎn)讓實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化)。曾獲國家技術發(fā)明二等獎(2016)、教育部技術發(fā)明一等獎(2015)、武漢東湖高新區(qū)“3551光谷人才”(2012)、廣東省科學技術三等獎(2010)等。


        參考來源:

        [1]程浩,陳明祥等.電子封裝陶瓷基板

        [2]程浩,陳明祥等.功率電子封裝用陶瓷基板技術與應用進展

        [3]吳朝暉,陳明祥等.大功率LED封裝基板技術與發(fā)展現(xiàn)狀


        (中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川)

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        作者:山川

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