État de la recherche et tendance de développement de la métallisation de surface des substrats en céramique

Résumé: Le substrat de dissipation de chaleur est un canal important pour la dissipation de chaleur des composants électroniques haute puissance, et sa conductivité thermique affectera directement la fiabilité et la durée de vie des composants électroniques de type puissance. Cet article introduit en détail le schéma technique et l'état de développement de la métallisation de surface de la céramique comme un matériau de substrat dissuade de chaleur avec une conductivité thermique élevée, souligne les principales difficultés techniques de divers schémas de métallisation, compare et analyse les caractéristiques et les différences de performance de diverses céramiques Emballage des substrats disposant de chaleur et prédit la tendance de développement des substrats en céramique sur cette base.

0. Introduction avec les progrès continus de la technologie électronique, le problème de la dissipation thermique est devenu progressivement un goulot d'étranglement restreignant le développement de produits électroniques électriques dans le sens de la puissance et de la lumière. L'accumulation continue de chaleur dans les composants électroniques de puissance augmentera progressivement la température de la jonction de la puce et produira une contrainte thermique, entraînant une série de problèmes de fiabilité tels que les changements de durée de vie et de température de couleur réduits. Dans l'application d'emballage de composants électroniques de type puissance, le substrat de refroidissement assume non seulement les fonctions de connexion électrique et de support mécanique, mais également un canal important pour la transmission de chaleur. Pour les dispositifs électroniques de puissance, le substrat d'emballage doit avoir une conductivité thermique élevée, une isolation et une résistance à la chaleur, ainsi qu'une forte résistance et coefficient de dilatation thermique correspondant à la puce.

À l'heure actuelle, le substrat de dissipation de chaleur commun sur le marché est principalement un substrat métallique (MCPCB) et un substrat céramique. En raison de la conductivité thermique extrêmement faible de la couche d'isolation thermique, le MCPCB est devenu de plus en plus difficile à s'adapter aux exigences de développement des composants électroniques de type puissance. Le substrat en céramique en tant que matériau de dissipation de chaleur émergente, ses performances complètes telles que la conductivité thermique et l'isolation sont inégalées par le MCPCB ordinaire, et la métallisation de surface du substrat en céramique est une condition préalable importante pour déterminer son application pratique.

Dans cet article, la technologie et l'état de recherche de la métallisation de surface du substrat céramique sont introduits en détail, et le principe de divers schémas de métallisation est décrit, et les principaux points de contrôle technique de chaque schéma sont soulignés, afin de fournir une référence technique pour la Sélection du substrat d'emballage en céramique LED de type puissance.

1. Statut de recherche de la métallisation de la surface céramique

Après le frittage, la surface du substrat céramique doit être métallisé, puis le motif de surface est fabriqué par transfert d'image pour atteindre les performances de connexion électrique du substrat en céramique. La métallisation de la surface est une partie cruciale de la production de substrats en céramique, car la capacité de mouillage du métal à des températures élevées sur la surface de la céramique détermine la force de liaison entre le métal et la céramique, et une bonne force de liaison est une garantie importante pour la stabilité des performances d'emballage LED.

Par conséquent, la façon de mettre en œuvre la métallisation sur les surfaces en céramique et d'améliorer la force de liaison entre eux est devenue l'objet de nombreux chercheurs scientifiques et technologiques [4,5,6]. À l'heure actuelle, les méthodes de métallisation communes sur les surfaces en céramique peuvent être à peu près divisées en plusieurs formes, telles que la méthode de co-firing (HTCC et LTCC), la méthode de film épais (TFC), l'application directe de la méthode du cuivre (DBC), l'application directe de l'aluminium Méthode (DBA) et méthode à couches minces (DPC) [7,8].

1.1 MÉTHODE DE CO-FIRING (HTCC / LTCC)

Les substrats en céramique multicouche co-insignifiants ont attiré une large attention ces dernières années car ils peuvent répondre à de nombreuses exigences de circuits intégrés en intégrant des composants passifs tels que les lignes de signal et les micro-ondes dans les substrats en utilisant une technologie de film épaisse [9].

Il existe deux types de méthode de co-firing, l'une est une co-incendie à haute température (HTCC) et l'autre est une co-firection à basse température (LTCC). Le flux de processus des deux est fondamentalement le même. Le processus de production principal est la préparation de la suspension, la bande de moulage, le sèchet vert vert, le forage à travers le trou, le trou de remplissage d'impression d'écran, la ligne d'impression d'écran, le frittage laminé et le tranchage final et d'autres processus post-traitement. La poudre d'alumine et l'adhésif organique sont mélangés pour former une suspension, puis la suspension est transformée en feuilles avec un grattoir. Après séchage, une billette verte en céramique est formée [10]. Ensuite, les trous pilotes sont traités sur la billette verte en fonction des exigences de conception et la poudre métallique est remplie. Enfin, chaque couche de billette verte est stratifiée, frittée et formée dans le four de co-firing. Bien que le processus des deux méthodes de co-incendie soit à peu près le même, la température de frittage est très différente. La température de co-feu de HTCC est de 1300 à 1600 ℃, tandis que la température de frittage de LTCC est de 850 ~ 900 ℃. La principale raison de cette différence est que le linge de frittage LTCC est ajouté pour réduire la température de frittage du matériau en verre, qui n'est pas dans le suspension de co-infiltration HTCC. Bien que le matériau en verre puisse réduire la température de frittage, la conductivité thermique du substrat peut être considérablement diminuée [11,12,13].

Le substrat en céramique co -agistique présente des avantages significatifs dans l'augmentation de la densité d'assemblage, le raccourcissement de la longueur d'interconnexion, la réduction du retard du signal, la réduction du volume et l'amélioration de la fiabilité. L'application la plus courante du substrat co-amicale consiste à enterrer une variété de dispositifs passifs dans le frittage de pâte de céramique, pour fabriquer un circuit à haute densité intégré en tridimensionnel et non interférant, un mont IC et des dispositifs actifs à sa surface, faire un succès intégré réussi Le module, réduit davantage la structure du circuit, améliore la densité d'intégration, en particulier adapté aux composants de communication à haute fréquence [13]. Cependant, comme HTCC et LTCC utilisent tous deux l'impression d'écran pour terminer la production graphique, la précision dimensionnelle et la rugosité de surface des graphiques sont grandement affectées par le processus d'impression. Dans le même temps, le processus de laminage est également facile à provoquer l'alignement des graphiques n'est pas précis, entraînant une accumulation de tolérance excessive. De plus, la billette verte est sujette à un retrait incohérent pendant le processus de frittage, ce qui limite dans une large mesure l'application du processus de co-incendie [14,15].

1.2 Film épais en céramique (TFC)

Une méthode de film épaisse se réfère à la méthode d'impression d'écran, la pâte conductrice est directement enduite sur la matrice céramique, puis fritté à haute température pour rendre la couche métallique fermement attachée à la matrice céramique. La sélection de la pâte de conducteur de film épais est un facteur clé pour déterminer le processus de film épais, qui consiste en une phase fonctionnelle (c'est-à-dire une poudre métallique avec une taille de particules inférieure à 2 μm), une phase de liaison (liant) et un porte-arrière-plan organique. Les poudres métalliques communes comprennent Au, Pt, Au / Pt, Au / Pd, Ag, Ag / Pt, Ag / Pd, Cu, Ni, AL et W, parmi lesquelles Ag, Ag / Pd et Cu Slurry sont la majorité [16] . Le liant est généralement un matériau en verre ou un oxyde métallique ou un mélange des deux, et son rôle est de connecter la céramique et le métal et de déterminer l'adhésion de la suspension de film épaisse à la céramique matricielle, qui est la clé de la production d'épaisseur boue de film. La fonction de la porteuse organique vise principalement à disperser la phase fonctionnelle et à lier la phase, et en même temps pour maintenir une certaine viscosité de la suspension de film épaisse pour se préparer à l'impression d'écran ultérieure, qui s'évapore progressivement pendant le processus de frittage [ 17].

À l'heure actuelle, la recherche sur la pâte électronique de film épais d'oxyde d'aluminium est devenue mature, tandis que la pâte électronique au film épais en aluminium a toujours une grande place pour le développement, qui est causée par la mouillabilité insatisfaisante de la plupart des métaux aux céramiques de nitrure d'aluminium [17]. Afin d'améliorer la force de liaison entre les céramiques de nitrure métal et d'aluminium dans le processus d'une production de films épaisse, il existe deux méthodes communes. L'une consiste à utiliser le matériau en verre comme phase de liaison pour faire en sorte que la couche métallique et la couche aln atteignent la liaison mécanique; La seconde consiste à ajouter une substance qui peut réagir avec l'ALN comme phase de liaison, et à réaliser une liaison chimique en réagissant avec l'ALN. À l'heure actuelle, la composition principale de la plupart des systèmes de liaison en verre de suspension de nitrure d'aluminium est SiO2-B2O3, c'est-à-dire que le verre de silicate et le verre borate ont un bon effet de mouillage sur le métal et le nitrure d'aluminium. De plus, le point d'adoucissement du verre borate est faible, ce qui peut améliorer la cadence de tir et améliorer la densité après frittage. Cependant, le point d'adoucissement bas du borate le fera également adoucir avant d'atteindre la température de frittage de métallisation, de sorte que la couche métallique ne peut pas former une structure de réticulation de réseau efficace avec de la céramique de nitrure d'aluminium. L'ajout de silicate peut résoudre efficacement ce problème. Dans le même temps, les performances de la phase de verre peuvent être encore améliorées en ajoutant une quantité appropriée de métal alcalin et de métal de terre alcaline à la phase de verre, car le métal terrestre alcalin ou alcalin peut différencier le verre et réduire la viscosité du verre. Généralement, avec l'augmentation de la quantité de métal de terre alcalin ou alcalin, la viscosité sera considérablement réduite, ce qui est propice à l'amélioration de la fluidité de la suspension et à l'accélération de la métallisation et du frittage. Les métaux terrestres alcalins ou alcalins couramment utilisés comprennent Li2o, Na2o, K2O, Bao et PDO, etc. [18,19]. De plus, certaines substances qui peuvent réagir avec du nitrure d'aluminium pour former de nouvelles phases peuvent être ajoutées, telles que CR2O3, PDO, ZnO, etc., et la force de liaison de réaction formée par la nouvelle phase peut être utilisée pour améliorer la résistance à l'adhésion de la résistance de la résistance à la résistance à la résistance à l'adhésion de la résistance à la résistance à l'adhésion de la force d'adhésion de la résistance à la résistance à l'adhésion de la force d'adhésion de la résistance à la résistance à l'adhésion du suspension après métallisation. Il a été souligné que certains oxydes métalliques de terre alcalins du silicium et du bore, ainsi que des oxydes de zirconium, de fer, de plomb et de phosphore, peuvent réagir avec l'ALN pour former de nouvelles substances [20,21]. Par exemple, l'utilisation de la phase de liaison ZRB2, en raison de la formation d'une nouvelle phase AL2O3 · B2O3 (spinelle borale) pendant le processus de réaction, la force de liaison entre la couche métallisée et la céramique de nitrure d'aluminium peut être aussi élevée que 24MPA, et la cérate ZRO2 généré pendant le processus de réaction peut également accélérer l'oxydation de l'ALN, favorisant ainsi la réaction.

The thickness of the metal layer after TFC sintering is generally 10~20μm, and the minimum line width is 0.1 mm. Due to the mature technology, simple process and low cost, TFC has been used in LED packaging with low graphic accuracy requirements. Dans le même temps, TFC présente certains inconvénients tels que la faible précision graphique (erreur est de ± 10%), la stabilité du revêtement est facilement affectée par l'uniformité de la suspension, la mauvaise planéité de ligne (supérieure à 3 μm) et l'adhésion n'est pas facile à contrôler, donc sa plage d'application est limité.

1.3 Méthode de cuivre à liaison directe (DBC)

DBC est une méthode de métallisation pour lier la feuille de cuivre sur une surface en céramique (principalement AL2O3 et ALN), qui est un nouveau processus développé avec la montée en puissance de la technologie d'embarquement à bord (COB). Le principe de base consiste à introduire l'oxygène entre Cu et céramique, puis former une phase liquide eutectique de Cu / O à 1065 ~ 1083 ℃, puis réagir avec la matrice céramique et la feuille de cuivre pour former Cualo2 ou Cu (ALO2) 2, et réaliser le liaison entre la feuille de cuivre et la matrice sous l'action de la phase intermédiaire. Parce que l'al n est une céramique non oxyde, la clé pour enduire le cuivre à sa surface est de former une couche de transition AL2O3 à sa surface, et de réaliser une liaison efficace entre la feuille de cuivre et la céramique matricielle sous l'action de la couche de transition [22].

L'introduction de l'oxygène est une étape très critique du processus DBC. Le temps d'oxydation et la température d'oxydation sont les deux paramètres les plus importants de ce processus, qui ont une influence très importante sur la force de liaison entre la céramique et la feuille de cuivre après collage. Lorsque le temps d'oxydation et la température d'oxydation sont fixes, la matrice AL2O3 sans traitement de pré-oxydation dans le processus de liaison avec la feuille de cuivre, car l'oxygène est difficile à pénétrer dans l'interface de la feuille de cuivre et du substrat en céramique, la phase liquide Cu / O Une mauvaise mouillabilité sur le substrat, et enfin un grand nombre de trous et de défauts resteront sur l'interface. Une fois la matrice pré-oxydée, une alimentation suffisante en oxygène peut être donnée en même temps que le revêtement, de sorte que la phase liquide Cu / o a une bonne mouillabilité sur la matrice en céramique et la feuille de cuivre, les cavités et les défauts interfaciaux sont considérablement réduits, et La force de liaison entre la feuille de cuivre et la matrice est également plus ferme. Pour l'ALN, comme l'ALN est un composé de liaison covalente forte, la mouillabilité de la phase liquide Cu / O est mauvaise. Lorsque le cuivre DBC est appliqué à sa surface, la mouillabilité de la phase liquide Cu / o sur la matrice en céramique doit être améliorée par modification de surface pour assurer la force de liaison de la feuille de cuivre et de la matrice. À l'heure actuelle, la pratique générale consiste à utiliser la pré-oxydation pour former une certaine épaisseur, une dispersion uniforme et une structure dense du film Al2O3 à la surface de l'ALN. En raison de l'inadéquation entre le coefficient de dilatation thermique du film d'alumine et la matrice de nitulation en aluminium, la force de liaison de l'interface à deux phases peut se détériorer en raison de l'existence d'une contrainte interne à température ambiante, de sorte que la qualité du film est la clé du succès du revêtement ultérieur. En général, afin d'atteindre une combinaison efficace des deux, il est nécessaire de réduire le stress interne entre les phases ALN et AL2O3 en réduisant l'épaisseur du film autant que possible sous la prémisse de garantir la densité du film d'oxyde . Jing Min et al. [23] ont réalisé une étude systématique sur le processus DBC et ont obtenu un substrat en céramique DBC avec une résistance au pelage supérieure à 6,5 n / mm et une conductivité thermique de 11,86W / (M · K) en broyant la surface céramique avec du NaOH fondu. Xie Jianjun et al. [24] ont préparé des matériaux de substrat en céramique composite Cu / Al2O3 et Cu / ALN avec technologie DBC. La résistance à la liaison entre la feuille de cuivre et le substrat en céramique ALN a dépassé 8,00 N / mm, et il y avait une couche de transition avec une épaisseur d'environ 2 μm entre la feuille de cuivre et la céramique aln. Ses composants sont principalement des composés Al2O3, Cualo2 et Cu2O, et la résistance à la liaison interfaciale de Cu / ALN augmente progressivement avec l'augmentation de la température de liaison. Akara-Slimane et al. [25] ont utilisé le processus DBC pour préparer le substrat en céramique au nitrure d'aluminium dans des conditions de vide, lorsque la température était de 1000 ℃ et que la pression était de 4 à 12 MPa, et la résistance au pelage était aussi élevée que 32 MPa.

La feuille de cuivre a une bonne conductivité électrique et thermique, et l'alumine a non seulement une bonne conductivité thermique, une forte isolation, une grande fiabilité, mais peut également contrôler efficacement l'expansion du complexe Cual2O3-Cu, de sorte que le substrat en céramique DBC a un coefficient d'expansion thermique similaire en alumine . Il a été largement utilisé dans la gestion thermique de l'emballage d'IGBT, LD et CPV. Étant donné que les feuilles de cuivre collées à chaud DBC sont généralement plus épaisses, allant de 100 à 600 μm, ils ont une forte capacité de transport de courant et ont des avantages évidents dans le domaine de l'emballage IGBT et LD [26].

Bien que DBC présente de nombreux avantages dans l'application de l'ingénierie pratique, il présente également les lacunes suivantes: (1) Le processus DBC nécessite l'introduction d'éléments d'oxygène dans des conditions à haute température pour faire de la réaction eutectique Cu et Al2O3, ce qui nécessite un contrôle élevé d'équipement et de processus, et le contrôle de l'équipement élevé, et la Le coût de production du substrat est élevé; (2) les micro-pores sont facilement générés entre les couches Al2O3 et Cu, et la résistance aux chocs thermiques du substrat sera affectée; (3) L'épaisseur de la feuille de cuivre liée à la surface DBC est généralement supérieure à 100 μm, et la largeur de ligne minimale du motif de surface est généralement supérieure à 100 μm, ce qui ne convient pas à la production de ridules.

1.4 Liaison directe en aluminium (DAB)

La méthode directe du revêtement en aluminium consiste à utiliser l'aluminium dans l'état liquide de la céramique a une bonne mouillabilité pour réaliser l'application des deux. Lorsque la température dépasse 660 ℃, l'aluminium solide s'est liquéfié, lorsque l'aluminium liquide a humide la surface de la céramique, avec la diminution de la température, l'aluminium directement sur la surface de la céramique fournie par la croissance de la cristallisation du noyau cristallin, le refroidissement à température ambiante pour obtenir la combinaison des deux. Parce que l'aluminium est plus actif, il est facile d'oxyder le film AL2O3 dans des conditions à haute température et existe à la surface de l'aluminium liquide, ce qui réduit considérablement la mouillabilité de l'aluminium liquide sur la surface de la céramique, ce qui rend difficile l'atteinte de l'application, donc elle doit être supprimé avant l'application ou l'application dans des conditions sans oxygène. Peng Rong et al. [23,27] ont adopté la méthode de moulage de la matrice de graphite pour poser de l'aluminium liquide pur à la surface du substrat AL2O3 et du substrat d'aln par pression, et le film Al2O3 est resté dans la cavité de la moisissure en raison du manque de fluidité. Après refroidissement, le substrat DAB a été préparé avec un revêtement sonore.

Étant donné que la mouillabilité de l'aluminium liquide sur la surface de la céramique est la clé du succès ou de l'échec du DAB, les universitaires au pays et à l'étranger ont effectué de nombreux travaux de recherche sur la mouillabilité. Lorsque Karaslimane [25] a utilisé l'aluminium comme couche intermédiaire pour lier AL N / AL / FE Le revêtement efficace de l'aluminium avec du nitrure d'aluminium et du fer. La considération ci-dessus est le revêtement physique, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de réaction chimique à l'interface en aluminium / céramique, de sorte que la résistance à la liaison entre l'aluminium et la céramique dépend de la coopération mécanique des verrous provoqués par l'augmentation de la rugosité entre les deux et la liaison La force est relativement faible par rapport à DBC. Cependant, la combinaison entre les deux n'a pas de génération de deuxième phase et a l'avantage d'une faible contrainte d'interface et d'une conductivité thermique à interface élevée par rapport à DBC. Avant de revêtement en aluminium, le traitement de surface de la céramique pour augmenter la force du revêtement est un lien de processus très clé.

Imai [28] a constaté que la rugosité de surface du substrat en céramique affecte considérablement les performances du revêtement, et le maintien d'une certaine rugosité est une condition nécessaire pour améliorer la résistance du revêtement. Par conséquent, comment traiter le substrat céramique pour changer sa rugosité est la clé pour améliorer la force de liaison entre l'aluminium et la céramique. Lin et al. [29] ont étudié la température et les propriétés de liaison de l'AL2O3 / AL / AL2O3 et ont préparé un substrat DAB avec une résistance de liaison élevée et une conductivité thermique de 32 W / (M · K) à 1100 ℃. Jing Min et al. [23] ont d'abord formé une phase Cu AL2O4 stable par Cu2O de frittage sur le substrat AL2O3, et un film de cuivre a été formé à la surface du substrat par réduction H2 à 1 000 ℃. Enfin, le contact entre l'oxygène et l'aluminium métallique a été isolé par le magnésium métallique actif et la protection du toner dans un environnement sous vide. Le substrat en céramique DAB avec une résistance de liaison AL / AL2O3 jusqu'à 11,9 MPa a été préparé par revêtement eutectique à 760 ℃.

Le substrat en céramique DAB a une bonne stabilité thermique, la masse peut être réduite de 44% par rapport à la DBC de la même structure, la capacité de liaison du fil d'aluminium est bonne, la contrainte thermique entre l'aluminium / céramique est relativement faible et elle s'est rapidement développée au cours des récents années. Le substrat d'Al2O3-Dab et le substrat d'Aln-Dab ont d'excellentes caractéristiques de conductivité thermique, une bonne résistance à la fatigue des chocs thermiques, une excellente stabilité thermique, un poids structurel léger et une bonne capacité de liaison au fil d'aluminium. Le module de dispositif d'alimentation basé sur le substrat DAB a été appliqué avec succès dans l'industrie automobile japonaise. À l'heure actuelle, de nombreux travaux de recherche ont été effectués sur la technologie DAB au pays et à l'étranger, mais la recherche sur les détails de l'interface en aluminium / céramique n'est pas assez profonde [4]. En raison de restrictions strictes sur la teneur en oxygène, DAB a des exigences plus élevées pour le contrôle de l'équipement et des processus, et le coût de production du substrat est plus élevé. Et l'épaisseur de l'aluminium lié à la surface est généralement supérieure à 100 μm, ce qui ne convient pas à la production de ridules, et sa promotion et son application sont donc limitées.

1.5 Méthode en film mince (cuivre plaqué direct, DPC)

La méthode à couches mince est un processus dans lequel la couche métallique se forme sur la surface de la céramique par dépôt de vapeur physique (évaporation sous vide, pulvérisation de magnétron, etc.), puis la couche de circuit métallique est formée par masque et gravure. Parmi eux, le dépôt de vapeur physique est le processus de fabrication de film le plus courant [30].

Le dépôt de vapeur physique consiste à former une couche de 3 ~ 5 μm de film métallique sur la surface de la céramique par évaporation ou pulvérisation comme couche conductrice du substrat en céramique. La résistance à la liaison d'interface est le goulot d'étranglement technique du substrat DPC en raison de la défaillance du cyclisme thermique de la couche de cuivre et de la couche céramique. La force de liaison du film en céramique et en métal, les performances de soudage du film et de la puce métalliques et de la conductivité du film métallique lui-même sont trois indicateurs importants pour mesurer la qualité du film. The bonding force between the metal film and aluminum nitride determines the practicability and reliability of the film process ceramic substrate, while the bonding force is affected by van der Waals force, chemical bonding force, diffusion adhesion, mechanical locking, electrostatic attraction and internal stress of Le film lui-même, parmi lequel l'adhésion de diffusion et la force de liaison chimique sont les principaux facteurs. Par conséquent, il est nécessaire de sélectionner AL, Cr, Ti, Ni, Cu et d'autres métaux avec une activité élevée et de bonnes performances de diffusion comme couche de transition. La couche conductrice entreprend les fonctions de connexion électrique et de soudage, il est donc nécessaire de sélectionner des matériaux métalliques tels que Au, Cu et Ag avec une faible résistivité, une résistance à haute température, des propriétés chimiques stables et un petit coefficient de diffusion [31]. Zhang Xuebin [32] a étudié le processus de préparation du substrat en céramique DPC, et les résultats ont montré que la résistance à la liaison pouvait être améliorée en utilisant l'alliage w / ti comme couche de transition. Lorsque l'épaisseur de la couche de transition était de 200 nm, la résistance à la liaison du substrat en céramique AL2O3 à film mince préparé était supérieure à 97,2n. De plus, en plus de la préparation de films minces par dépôt physique de vapeur, certains chercheurs ont obtenu des couches minces en cuivre à la surface de la céramique par placage électrolytique. Xue Shengjie et al. [13] De l'Université de Chongqing, a utilisé la méthode de placage électrolaine pour optimiser divers paramètres de processus. Un substrat en céramique à film mince avec une force de liaison de 18,45 N, une conductivité de 2,65 × 10 ^ 6 s / m, un taux de dépôt de 0,026 g / (s · cm2) et une conductivité thermique de 147,29 W / (m · k) a été préparée.

Par rapport aux autres méthodes de métallisation de la surface de la céramique, le processus DPC a une faible température de fonctionnement, généralement inférieure à 300 ° C, ce qui réduit le coût du processus de fabrication et évite efficacement les effets néfastes de la température élevée sur le matériau. Le substrat DPC utilise la technologie Huang Guangy pour produire un circuit graphique, la largeur de la ligne peut être contrôlée en 20 ~ 30 μm, la planéité de surface peut atteindre 3 μm ou moins, et l'erreur de précision graphique peut être contrôlée à ± 1%, ce qui est très approprié pour Emballage électronique des périphériques avec des exigences de précision de circuit élevé. En particulier, les surfaces supérieures et inférieures du substrat en céramique peuvent être interconnectées après avoir coupé les trous et remplir le cuivre à travers des trous du substrat DPC par laser, répondant ainsi aux exigences d'emballage tridimensionnelles des appareils électroniques. DPC réduit non seulement le volume du package, mais améliore également efficacement l'intégration du package. Bien que le substrat en céramique DPC présente les avantages ci-dessus, il présente également certaines lacunes telles que l'épaisseur limitée de l'électroplastion de la couche de cuivre déposée, une grande pollution de l'électroplastion du liquide déchet, une faible résistance à la liaison entre la couche métallique et la céramique, et une faible fiabilité dans l'application des produits.

2 Comparaison des performances et tendance de développement du substrat en céramique

2.1 Comparaison des performances du substrat en céramique

En plus de la connexion électrique et de la fonction de dissipation thermique, le substrat électronique de dissipation de chaleur de type électronique doit également avoir une certaine isolation, résistance à la chaleur, résistance à la pression et performances de correspondance de la chaleur. Étant donné que le substrat en céramique a une excellente conductivité thermique et des propriétés d'isolation, il présente des avantages importants dans l'application d'emballage de composants électroniques électriques et est l'une des principales directions de développement du substrat de refroidissement électronique électrique à l'avenir [33]. Les principales caractéristiques de LTCC, HTCC, TFC, DBC, DBA, substrats en céramique de processus DPC sont présentées dans le tableau 1.

Tableau 1 Caractéristiques principales et comparaison des performances de divers substrats en céramique

Jusqu'à présent, Cree, Osram, Philips et Nichia et d'autres principaux fabricants internationaux et Jiangxi Jingrui nationaux, Yimei Xinguang, Hucheng Technology, Foshan Guoxing, Shenzhen Ruifeng, Guangzhou Hongli, Ningbo Shengpu et d'autres entreports ont lancé des produits électroniques en céramique. À l'heure actuelle, en raison de la capacité technique, le coût de fabrication du substrat en céramique est toujours élevé. Cependant, on peut prédire qu'avec la percée continue des goulots d'étranglement techniques et l'amélioration continue de l'intégration des emballages, l'acceptation du marché des substrats en céramique sera de plus en plus améliorée et les produits électroniques électriques utilisant la céramique comme substrats d'emballage seront de plus en plus riches.

2.2 Tendance de développement du substrat en céramique

Le substrat en céramique a un faible coefficient de dilatation thermique, une bonne conductivité thermique et des propriétés d'isolation, et est devenu le matériau de substrat de dissipation thermique le plus prometteur de l'industrie. Dans certains cas, il remplace progressivement le substrat métallique et devient la solution de gestion thermique préférée pour la dissipation thermique des composants électroniques de haute puissance [34].

Comme mentionné ci-dessus, la technologie de fabrication du substrat en céramique est actuellement appliquée à l'emballage de composants électroniques haute puissance a un total de HTCC, LTCC, TFC, DBC, DAB, DPC six types, dont la poudre métallique dans le processus HTCC est principalement du tungstène, du molybdènenum , manganèse et autres métaux avec un point de fusion élevé mais une mauvaise conductivité électrique, et son coût de production est élevé, il est donc généralement moins utilisé. Processus LTCC En raison de l'ajout d'une faible conductivité thermique des matériaux en verre dans la suspension, sa conductivité thermique n'est que 2 ~ 3 W / (M · K), par rapport aux avantages ordinaires du MCPCB ne sont pas évidents. Dans le même temps, les graphismes de ligne de HTCC et LTCC sont fabriqués par une technologie de film épais (TFC), qui a les lacunes de surface rugueuse et d'alignement inexact. De plus, dans le processus de frittage, il existe également un problème de rétrécissement incohérent de la billette verte en céramique, ce qui rend la résolution du processus de céramique co-incendie limitée dans une certaine mesure, et la popularisation et l'application sont également confrontées à de grands défis.

En raison de la mauvaise mouillabilité du cuivre en phase liquide sur la surface de la céramique dans le processus DBC, les éléments d'oxygène doivent être introduits dans des conditions de température élevée pour obtenir le revêtement de la feuille de cuivre et de la céramique matricielle, et les micro-pores sont facilement générés sur la surface de l'interface, qui a des équipements élevés et des exigences techniques, et est toujours au centre des recherches des chercheurs nationaux et étrangers. L'aluminium dans le processus DAB est facile à oxyder à haute température, ce qui affectera la mouillabilité de l'aluminium liquide sur la surface de la céramique, et l'application doit être effectuée dans des conditions sans oxygène, de sorte que les exigences en matière d'équipement et de technologie sont également relativement relativement L'industrialisation dure et à grande échelle n'a pas été réalisée à l'heure actuelle. À l'heure actuelle, les pays développés dans l'Ouest, le Japon, la Corée du Sud, la technologie DBC et DAB et les avantages du marché. Certaines institutions de recherche scientifique en Chine ont également effectué des travaux de recherche sur DBC et DAB et ont fait certaines percées techniques, mais il y a toujours un certain écart par rapport au niveau avancé international, les produits sont principalement utilisés dans l'IGBT (diode bipolaire de porte isolée) et LD (diode laser) et autre emballage de périphérique d'alimentation. En raison de la couche conductrice épaisse de DBC et de DAB, les avantages des deux substrats appliqués à l'emballage LED ne sont pas évidents.

Le processus DPC résout le problème de la mauvaise mouillabilité de la feuille de cuivre sur la surface de la céramique en introduisant le métal de couche de transition sur la surface de la céramique, et réalise avec succès la métallisation de la surface céramique sur la prémisse d'assurer la force de liaison entre la couche conductrice et le substrat céramique. Le substrat en céramique DPC a non seulement une excellente conductivité électrique, mais a également une précision haute ligne et une douceur de surface, qui est très adaptée au revêtement LED et à l'emballage LED de processus eutectique, et a atteint l'industrialisation en termes d'échelle de production, et est actuellement le plus capable de répondre aux besoins de la puissance élevée, de la densité lumineuse élevée et de la direction de petite taille de développement du substrat de refroidissement en emballage en céramique. À l'heure actuelle, la région chinoise de Taiwan détient une position de monopole sur la technologie DPC Core, représentant 80% de la part de marché mondiale des produits, et est le principal fournisseur de substrats de refroidissement en céramique pour les géants de l'industrie de l'éclairage des semi-conducteurs tels que Cree, Lumileds et Osram en Allemagne. De nos jours, avec l'augmentation continue des efforts de recherche et de développement, la technologie du substrat DPC sur le continent a également fait des percées, qui peuvent également répondre aux besoins de l'emballage LED haute puissance pour la dissipation de chaleur dans une certaine mesure.

Dans le contexte d'une percée continue du goulot d'étranglement de la technologie des processus de fabrication, la fragilité du substrat en céramique est un fait incontestable, comment utiliser son excellente conductivité thermique pour fournir des solutions de gestion de dissipation de chaleur pour l'industrie LED en développement rapide et pour éviter de se fissurer en raison de la vifrière excessive de la vifrière en développement rapide et d'éviter la fissuration en raison de la fragilité excessive et de la vifnité en développement rapide et d'éviter la fissuration en raison de la fragilité excessive et de la création de la chaleur en développement rapide et pour éviter de se fissurer en raison de la vifrière excessive de la vifnité et de se développer rapidement et d'éviter la fissuration en raison de la fragilité excessive et de se développer en développement rapide et d'éviter la fissure en raison de la vifrière excessive et de se développer rapidement et d'éviter la fissuration en raison de la vifrière excessive et de se développer rapidement et d'éviter la fissuration en raison de la fragilité excessive et de la vif Dans le processus de production et d'utilisation est également un problème pratique qui ne peut être ignoré. Lejian Technology (Zhuhai) Co., Ltd. utilise la coupe au laser ou la coupe de roues de broyage pour couper de gros morceaux de céramique en un certain nombre de petits morceaux, et sélectivement implantés dans la structure FR4, en utilisant le processus pressant pour combiner la céramique et le FR4 ensemble à former une structure de dissipation de chaleur composite. Parmi eux, la céramique agit comme le canal de dissipation de chaleur de la puce, de sorte que la chaleur générée par les composants électroniques pendant le processus de travail peut être rapidement diffusée vers le monde extérieur le long de la céramique, afin d'éviter la fiabilité des composants causés par une mauvaise dissipation de la chaleur, entraînant le risque d'une défaillance prématurée, comme le montre la figure 1 et la figure 2. Cette conception conserve non seulement la fonction de dissipation thermique de la céramique, mais résout également le problème de la céramique fragile. Dans le même temps, l'usinage peut être réalisé sur FR4, ce qui réduit considérablement le coût élevé de la coupe de la céramique pure. À l'heure actuelle, ce type de substrat composite a été appliqué à une certaine échelle dans les champs de LED haute puissance et d'IGBT.

3 Remarques de clôture

La dissipation de chaleur est un problème technique clé dans le développement des composants électroniques de puissance. Compte tenu de la grande puissance, de petite taille, le léger est devenu la tendance future de développement de l'emballage électronique de puissance, du substrat en céramique en plus d'excellentes caractéristiques de conductivité thermique, mais a également une bonne isolation, une résistance à la chaleur, une résistance à la pression et de bonnes performances de correspondance thermique avec La puce, est devenue le premier choix pour la dissipation de chaleur de l'emballage électronique à puissance moyenne et haut de gamme. Le processus de métallisation de la surface du substrat en céramique est un lien important pour réaliser l'utilisation de la céramique dans l'emballage des composants électroniques de puissance. La méthode de métallisation détermine les performances, le coût de fabrication, le rendement des produits et la plage d'application du substrat en céramique.