Nombre Parcourir:0 auteur:材料导报 2017,31(S2),277-281 publier Temps: 2025-02-13 origine:秦典成; 李保忠; 肖永龙; 张军杰
Résumé : Le substrat de dissipation thermique est un canal important pour la dissipation thermique des composants électroniques de haute puissance, et sa conductivité thermique affectera directement la fiabilité et la durée de vie des composants électroniques de puissance. Cet article présente en détail le schéma technique et l'état de développement de la métallisation de surface de la céramique en tant que matériau de substrat dissipant la chaleur à haute conductivité thermique, souligne les principales difficultés techniques de divers schémas de métallisation, compare et analyse les caractéristiques et les différences de performances de divers substrats dissipant la chaleur d'emballage en céramique et prédit la tendance de développement des substrats céramiques sur cette base.
Le problème de la dissipation thermique est progressivement devenu un goulot d'étranglement limitant le développement de produits électroniques de puissance vers une puissance et une lumière élevées. L'accumulation continue de chaleur dans les composants électroniques de puissance augmentera progressivement la température de jonction de la puce et produira une contrainte thermique, entraînant une série de problèmes de fiabilité tels qu'une durée de vie réduite et des changements de température de couleur. Dans l'application d'emballage de composants électroniques de 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 appareils électroniques de puissance, le substrat d'emballage doit avoir une conductivité thermique, une isolation et une résistance thermique élevées, ainsi qu'une résistance élevée et un coefficient de dilatation thermique correspondant à la puce.
À l'heure actuelle, le substrat de dissipation thermique courant sur le marché est principalement le substrat métallique (MCPCB) et le 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 adapter aux exigences de développement des composants électroniques de puissance. Le substrat céramique en tant que matériau de dissipation thermique émergent, ses performances globales telles que la conductivité thermique et l'isolation sont inégalées par les MCPCB ordinaires, et la métallisation de la surface du substrat céramique est une condition préalable importante pour déterminer son application pratique.
Dans cet article, la technologie et l'état de la recherche sur la métallisation de la surface des substrats céramiques sont présentés en détail, le principe des différents schémas de métallisation est décrit et les points de contrôle techniques clés de chaque schéma sont soulignés, afin de fournir une référence technique pour la sélection du substrat d'emballage en céramique LED de type puissance.
Après le frittage, la surface du substrat céramique doit être métallisée, puis le motif de surface est réalisé par transfert d'image pour obtenir les performances de connexion électrique du substrat céramique. La métallisation de surface est une partie cruciale de la production de substrats céramiques, car la capacité de mouillage du métal à haute température sur la surface 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 de l'emballage LED.
Par conséquent, la manière de mettre en œuvre la métallisation sur des surfaces céramiques et d’améliorer la force de liaison entre elles est devenue l’objet de nombreux chercheurs scientifiques et technologiques [4,5,6]. À l'heure actuelle, les méthodes de métallisation courantes sur les surfaces céramiques peuvent être grossièrement divisées en plusieurs formes, telles que la méthode de co-cuisson (HTCC et LTCC), la méthode des couches épaisses (TFC), l'application directe de la méthode du cuivre (DBC), l'application directe de la méthode de l'aluminium (DBA) et la méthode des couches minces (DPC) [7,8].
Les substrats céramiques multicouches cocuits ont attiré une grande attention ces dernières années car ils peuvent répondre à de nombreuses exigences des circuits intégrés en intégrant des composants passifs tels que des lignes de signal et des microfils dans les substrats en utilisant la technologie des couches épaisses [9].
Il existe deux types de méthodes de co-cuisson, l'une est la co-cuisson à haute température (HTCC) et l'autre est la co-cuisson à basse température (LTCC). Le déroulement du processus des deux est fondamentalement le même. Le processus de production principal est la préparation de la boue, la bande de coulée, le séchage du blanc vert, le perçage du trou, le trou de remplissage de sérigraphie, la ligne de sérigraphie, le frittage laminé et le tranchage final et d'autres processus de 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 de céramique verte est formée [10]. Ensuite, des avant-trous sont traités sur la billette verte selon les exigences de conception et de la poudre métallique est remplie. Enfin, chaque couche de billette verte est laminée, frittée et formée dans le four de co-cuisson. Bien que le processus des deux méthodes de cocuisson soit à peu près le même, la température de frittage est très différente. La température de co-cuisson du HTCC est de 1 300 à 1 600 ℃, tandis que la température de frittage du LTCC est de 850 à 900 ℃. La principale raison de cette différence est que la boue de frittage LTCC est ajoutée pour réduire la température de frittage du matériau en verre, qui n'est pas présente dans la boue co-cuite 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 céramique co-cuit présente des avantages significatifs en termes d'augmentation de la densité d'assemblage, de raccourcissement de la longueur d'interconnexion, de réduction du retard du signal, de réduction du volume et d'amélioration de la fiabilité. L'application la plus courante du substrat co-cuit est d'enterrer une variété de dispositifs passifs dans le frittage de pâte céramique, de créer un circuit haute densité intégré tridimensionnel et sans interférence, de monter des circuits intégrés et des dispositifs actifs sur sa surface, de créer un module intégré réussi, de réduire davantage la structure du circuit, d'améliorer la densité d'intégration, particulièrement adapté aux composants de communication haute fréquence [13]. Cependant, étant donné que HTCC et LTCC utilisent tous deux la sérigraphie pour terminer la production graphique, la précision dimensionnelle et la rugosité de la surface des graphiques sont grandement affectées par le processus d'impression. Dans le même temps, le processus de laminage est également facile à provoquer un alignement graphique imprécis, ce qui entraîne une accumulation excessive de tolérances. De plus, la billette verte est sujette à un retrait irrégulier pendant le processus de frittage, ce qui limite dans une large mesure l'application du processus de co-cuisson [14, 15].
La méthode du film épais fait référence à la méthode de sérigraphie, la pâte conductrice est directement enduite sur la matrice céramique, puis frittée à haute température pour rendre la couche métallique fermement attachée à la matrice céramique. Le choix de la pâte conductrice à couche épaisse est un facteur clé dans la détermination du procédé à couche épaisse, qui consiste en une phase fonctionnelle (c'est-à-dire une poudre métallique d'une taille de particule inférieure à 2 μm), une phase de liaison (liant) et un support organique. Les poudres métalliques courantes 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 majoritaires [16]. Le liant est généralement un matériau de verre ou un oxyde métallique ou un mélange des deux, et son rôle est de relier la céramique et le métal et de déterminer l'adhérence de la suspension à couche épaisse à la céramique matricielle, ce qui est la clé de la production de suspension à couche épaisse. La fonction du support organique est principalement de disperser la phase fonctionnelle et de lier la phase, et en même temps de maintenir une certaine viscosité de la suspension à film épais pour préparer la sérigraphie ultérieure, qui s'évaporera progressivement pendant le processus de frittage [17].
À l'heure actuelle, la recherche sur la pâte électronique à couche épaisse d'oxyde d'aluminium est devenue mature, tandis que la pâte électronique à couche épaisse de nitrure d'aluminium a encore une grande marge de développement, en raison de la mouillabilité insatisfaisante de la plupart des métaux par rapport aux céramiques de nitrure d'aluminium [17]. Afin d'améliorer la force de liaison entre le métal et les céramiques de nitrure d'aluminium lors du processus de production de couches épaisses, il existe deux méthodes courantes. La première consiste à utiliser un matériau en verre comme phase de liaison pour que la couche métallique et la couche d'AlN atteignent une liaison mécanique ; La seconde consiste à ajouter une substance capable de 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 de verre de suspension de nitrure d'aluminium est SiO2-B2O3, car le verre de silicate et le verre de borate ont un bon effet mouillant sur le métal et le nitrure d'aluminium. De plus, le point de ramollissement du verre borate est bas, ce qui peut améliorer la cadence de cuisson et augmenter la densité après frittage. Cependant, le faible point de ramollissement du borate le fera également ramollir avant d'atteindre la température de frittage de métallisation, de sorte que la couche métallique ne puisse pas former une structure de réticulation de réseau efficace avec la céramique de nitrure d'aluminium. L’ajout de silicate peut résoudre efficacement ce problème. Dans le même temps, les performances de la phase vitreuse peuvent être encore améliorées en ajoutant une quantité appropriée de métal alcalin et de métal alcalino-terreux à la phase vitreuse, car un métal alcalin ou alcalino-terreux peut différencier le verre et réduire la viscosité du verre. Généralement, avec l'augmentation de la quantité de métal alcalin ou alcalino-terreux, la viscosité sera considérablement réduite, ce qui favorise l'amélioration de la fluidité de la suspension et l'accélération de la métallisation et du frittage. Les métaux alcalins ou alcalino-terreux couramment utilisés comprennent Li2O, Na2O, K2O, BaO et PdO, etc. [18,19]. De plus, certaines substances qui peuvent réagir avec le nitrure d'aluminium pour former de nouvelles phases peuvent être ajoutées, telles que Cr2O3, PdO, ZnO, etc., et la force de liaison réactionnelle formée par la nouvelle phase peut être utilisée pour améliorer la force d'adhésion de la boue après métallisation. Il a été souligné que certains oxydes de métaux alcalino-terreux de silicium et de 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 atteindre 24 MPa, et le ZrO2 généré pendant le processus de réaction peut également accélérer l'oxydation de l'AlN, favorisant ainsi la réaction.
L'épaisseur de la couche métallique après frittage TFC est généralement de 10 à 20 μm et la largeur de ligne minimale est de 0,1 mm. En raison de sa technologie mature, de son processus simple et de son faible coût, le TFC a été utilisé dans les emballages LED avec de faibles exigences de précision graphique. Dans le même temps, le TFC présente certains inconvénients tels qu'une faible précision graphique (l'erreur est de ± 10 %), la stabilité du revêtement est facilement affectée par l'uniformité de la boue, une mauvaise planéité des lignes (au-dessus de 3 μm) et l'adhésion n'est pas facile à contrôler, de sorte que sa plage d'application est limitée.
Le DBC est une méthode de métallisation consistant à lier une feuille de cuivre sur une surface céramique (principalement Al2O3 et AlN), qui est un nouveau processus développé avec l'essor de la technologie d'emballage des puces sur carte (COB). Le principe de base est d'introduire de l'oxygène entre le Cu et la céramique, puis de former une phase liquide eutectique Cu/O à 1 065 ~ 1 083 ℃, puis de réagir avec la matrice céramique et la feuille de cuivre pour former CuAlO2 ou Cu(AlO2)2, et de réaliser la liaison entre la feuille de cuivre et la matrice sous l'action de la phase intermédiaire. Étant donné que Al N est une céramique sans oxyde, la clé pour revêtir du cuivre sur sa surface est de former une couche de transition Al2O3 sur 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 dans ce processus, qui ont une influence très importante sur la force de liaison entre la céramique et la feuille de cuivre après le collage. Lorsque le temps d'oxydation et la température d'oxydation sont fixés, la matrice Al2O3 sans traitement de pré-oxydation dans le processus de liaison avec une feuille de cuivre, car l'oxygène est difficile à pénétrer dans l'interface de la feuille de cuivre et du substrat céramique, la phase liquide Cu/O a une mauvaise mouillabilité sur le substrat, et finalement un grand nombre de trous et de défauts resteront sur l'interface. Une fois la matrice pré-oxydée, un apport suffisant en oxygène peut être fourni en même temps que le revêtement, de sorte que la phase liquide Cu/O présente une bonne mouillabilité sur la matrice céramique et la feuille de cuivre, les cavités et défauts interfaciaux sont considérablement réduits et la force de liaison entre la feuille de cuivre et la matrice est également plus ferme. Pour AlN, étant donné qu’AlN est un composé à liaison covalente forte, la mouillabilité de la phase liquide Cu/O est médiocre. Lorsque le cuivre DBC est appliqué sur sa surface, la mouillabilité de la phase liquide Cu/O sur la matrice céramique doit être améliorée par une modification de surface pour garantir 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 de film d'Al2O3 à la surface de l'AlN. En raison de l'inadéquation entre le coefficient de dilatation thermique du film d'alumine et de la matrice de nitruse d'aluminium, la force de liaison de l'interface biphasée 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. De manière générale, afin d'obtenir une combinaison efficace des deux, il est nécessaire de réduire la contrainte interne entre les phases AlN et Al2O3 en réduisant autant que possible l'épaisseur du film dans le but d'assurer la densité du film d'oxyde. Jing Min et coll. [23] ont réalisé une étude systématique du procédé DBC et ont obtenu un substrat céramique DBC avec une résistance au pelage supérieure à 6,5 N/mm et une conductivité thermique de 11,86 W/ (m·K) en rendant rugueuse la surface céramique avec du NaOH fondu. Xie Jianjun et coll. [24] ont préparé des matériaux de substrat céramique composites Cu/Al2O3 et Cu/AlN avec la technologie DBC. La force de liaison entre la feuille de cuivre et le substrat céramique AlN dépassait 8,00 N/mm, et il y avait une couche de transition d'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 force de liaison interfaciale de Cu/AlN augmente progressivement avec l'augmentation de la température de liaison. AKAra-Slimane et al. [25] ont utilisé le procédé DBC pour préparer un substrat céramique de nitrure d'aluminium dans des conditions sous vide, lorsque la température était de 1 000 ℃ et la pression de 4 à 12 MPa, et que la résistance au pelage atteignait 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 haute fiabilité, mais peut également contrôler efficacement l'expansion du complexe CuAl2O3-Cu, de sorte que le substrat céramique DBC ait un coefficient de dilatation thermique similaire à celui de l'alumine. Il a été largement utilisé dans la gestion thermique des boîtiers IGBT, LD et CPV. Étant donné que les feuilles de cuivre liées pressées à chaud DBC sont généralement plus épaisses, allant de 100 à 600 μm, elles ont une forte capacité de transport de courant et présentent des avantages évidents dans le domaine des emballages IGBT et LD [26].
Bien que le DBC présente de nombreux avantages dans les applications pratiques d'ingénierie, il présente également les inconvénients suivants : (1) le processus DBC nécessite l'introduction d'éléments oxygène dans des conditions de température élevée pour effectuer une réaction eutectique Cu et Al2O3, ce qui nécessite un équipement et un contrôle de processus élevés, et le coût de production du substrat est élevé ; (2) Des micropores sont facilement générés entre les couches d'Al2O3 et de Cu, et la résistance aux chocs thermiques du substrat sera affectée ; (3) L'épaisseur de la feuille de cuivre liée en surface DBC est généralement supérieure à 100 μm et la largeur minimale de ligne du motif de surface est généralement supérieure à 100 μm, ce qui ne convient pas à la production de lignes fines.
La méthode de revêtement direct de l'aluminium consiste à utiliser de l'aluminium à l'état liquide de la céramique qui a une bonne mouillabilité pour réaliser l'application des deux. Lorsque la température dépasse 660 ℃, l'aluminium solide se liquéfie, lorsque l'aluminium liquide mouille la surface en céramique, avec la diminution de la température, l'aluminium directement sur la surface en céramique fournie par la croissance de la cristallisation du noyau cristallin, refroidissant 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 de température élevée et existe à la surface de l'aluminium liquide, ce qui réduit considérablement la mouillabilité de l'aluminium liquide sur la surface céramique, ce qui rend difficile l'application, il doit donc être retiré avant l'application ou l'application dans des conditions sans oxygène. Peng Rong et coll. [23, 27] ont adopté la méthode de moulage sous pression au graphite pour déposer de l'aluminium liquide pur sur la surface du substrat Al2O3 et du substrat AlN par pression, et le film Al2O3 est resté dans la cavité du moule en raison d'un 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 céramique est la clé du succès ou de l’échec du DAB, les chercheurs nationaux et étrangers ont mené de nombreux travaux de recherche sur la mouillabilité. Lorsque KaraSlimane[25] a utilisé l'aluminium comme couche intermédiaire pour lier Al N/Al/Fe, il a souligné qu'une certaine pression doit être appliquée pendant le processus de revêtement pour briser la couche d'Al2O3 apparaissant à la surface de l'aluminium liquide, afin de réaliser un revêtement efficace de l'aluminium avec du nitrure d'aluminium et du fer. La considération ci-dessus concerne le revêtement physique, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de réaction chimique à l'interface aluminium/céramique, de sorte que la force de liaison entre l'aluminium et la céramique dépend de la coopération de verrouillage mécanique provoquée par l'augmentation de la rugosité entre les deux, et la force de liaison est relativement faible par rapport au DBC. Cependant, la combinaison entre les deux ne génère pas de seconde phase et présente l'avantage d'une faible contrainte d'interface et d'une conductivité thermique d'interface élevée par rapport au DBC. Avant le revêtement de l'aluminium, le traitement de surface de la céramique pour augmenter la résistance du revêtement est un maillon clé du processus.
Imai [28] a découvert que la rugosité de la surface du substrat céramique affecte grandement les performances du revêtement et que le maintien d'une certaine rugosité est une condition nécessaire pour améliorer la résistance du revêtement. Par conséquent, la manière de traiter le substrat céramique pour modifier 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 de liaison et les propriétés de Al2O3/Al/Al2O3 et ont préparé un substrat DAB avec une force de liaison élevée et une conductivité thermique de 32 W/ (m·K) à 1 100 ℃. Jing Min et coll. [23] ont d’abord formé une phase Cu Al2O4 stable en frittant Cu2O sur le substrat Al2O3, et un film de cuivre a été formé sur la surface du substrat par réduction de H2 à 1 000 ℃. Enfin, le contact entre l'oxygène et l'aluminium métallique a été isolé par du magnésium métallique actif et une protection du toner sous vide. Un substrat céramique DAB avec une force de liaison Al/Al2O3 jusqu'à 11,9 MPa a été préparé par revêtement eutectique à 760 ℃.
Le substrat céramique DAB a une bonne stabilité thermique, la masse peut être réduite de 44 % par rapport au DBC de même structure, la capacité de liaison des fils d'aluminium est bonne, la contrainte thermique entre l'aluminium/céramique est relativement faible et elle s'est développée rapidement ces dernières années. Le substrat Al2O3-DAB et le substrat AlN-DAB ont d'excellentes caractéristiques de conductivité thermique, une bonne résistance à la fatigue par choc thermique, une excellente stabilité thermique, un poids structurel léger et une bonne capacité de liaison par fil d'aluminium. Le module de dispositif d'alimentation basé sur un 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 les recherches sur les détails de l'interface aluminium/céramique ne sont pas assez approfondies [4]. En raison de restrictions strictes sur la teneur en oxygène, le DAB a des exigences plus élevées en matière de contrôle des équipements et des processus, et le coût de production du substrat est plus élevé. Et l'épaisseur de l'aluminium lié en 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.
La méthode des couches minces est un processus dans lequel la couche métallique est formée sur la surface céramique par dépôt physique en phase vapeur (évaporation sous vide, pulvérisation magnétron, etc.), puis la couche de circuit métallique est formée par masque et gravure. Parmi eux, le dépôt physique en phase vapeur est le procédé de fabrication de film le plus courant [30].
Le dépôt physique en phase vapeur consiste à former une couche de film métallique de 3 à 5 µm sur la surface céramique par évaporation ou pulvérisation en tant que couche conductrice du substrat céramique. La force de liaison de l’interface constitue le goulot d’étranglement technique du substrat DPC en raison de la défaillance du cycle thermique de la couche de cuivre et de la couche de céramique. La force de liaison du film céramique et métallique, les performances de soudage du film métallique et des copeaux et la conductivité du film métallique lui-même sont trois indicateurs importants pour mesurer la qualité du film. La force de liaison entre le film métallique et le nitrure d'aluminium détermine la praticabilité et la fiabilité du substrat céramique du traitement du film, tandis que la force de liaison est affectée par la force de Van der Waals, la force de liaison chimique, l'adhésion par diffusion, le verrouillage mécanique, l'attraction électrostatique et la contrainte interne du film lui-même, parmi lesquels l'adhésion par 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 ayant une activité élevée et de bonnes performances de diffusion comme couche de transition. La couche conductrice remplit 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 faible coefficient de diffusion [31]. Zhang Xuebin [32] a étudié le processus de préparation du substrat céramique DPC et les résultats ont montré que la force de liaison pouvait être améliorée en utilisant un alliage W/Ti comme couche de transition. Lorsque l'épaisseur de la couche de transition était de 200 nm, la force de liaison du substrat céramique à film mince Al2O3 préparé était supérieure à 97,2 N. De plus, en plus de la préparation de films minces par dépôt physique en phase vapeur, certains chercheurs ont obtenu des films minces de cuivre sur la surface de la céramique par placage autocatalytique. Xue Shengjie et coll. [13] de l'Université de Chongqing ont utilisé la méthode de placage autocatalytique pour optimiser divers paramètres du processus. Un substrat céramique à couche mince d'Al N 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 préparé.
Comparé à d'autres méthodes de métallisation de surfaces céramiques, le procédé 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 d'une température élevée sur le matériau. Le substrat DPC utilise la technologie Huang Guangying pour produire un circuit graphique, la largeur de ligne peut être contrôlée entre 20 et 30 μm, la planéité de la surface peut atteindre 3 μm ou moins et l'erreur de précision graphique peut être contrôlée à ± 1 %, ce qui est très approprié pour les emballages d'appareils électroniques avec des exigences de précision de circuit élevées. En particulier, les surfaces supérieure et inférieure du substrat céramique peuvent être interconnectées après découpe de trous et remplissage de cuivre à travers les trous du substrat DPC par laser, répondant ainsi aux exigences d'emballage tridimensionnel des dispositifs électroniques. DPC réduit non seulement le volume du package, mais améliore également efficacement l'intégration du package. Bien que le substrat céramique DPC présente les avantages ci-dessus, il présente également certains inconvénients tels qu'une épaisseur limitée de la couche de cuivre déposée par galvanoplastie, une pollution importante des déchets liquides de galvanoplastie, une faible force de liaison entre la couche métallique et la céramique et une faible fiabilité dans l'application du produit.
En plus de la fonction de connexion électrique et de dissipation thermique, le substrat de dissipation thermique de l'emballage électronique de type puissance doit également avoir une certaine performance d'isolation, de résistance thermique, de résistance à la pression et d'adaptation thermique. Étant donné que le substrat céramique possède d’excellentes propriétés de conductivité thermique et d’isolation, il présente des avantages importants dans l’application d’emballage de composants électroniques de puissance et constitue l’une des principales orientations de développement du substrat de refroidissement pour emballage électronique de puissance à l’avenir [33]. Les principales caractéristiques des substrats céramiques traités LTCC, HTCC, TFC, DBC, DBA, DPC sont présentées dans le tableau 1.
Tableau 1 Principales caractéristiques et comparaison des performances de divers substrats céramiques
Jusqu'à présent, Cree, Osram, Philips et Nichia et d'autres grands fabricants internationaux et nationaux Jiangxi Jingrui, Yimei Xinguang, Hucheng Technology, Foshan Guoxing, Shenzhen Ruifeng, Guangzhou Hongli, Ningbo Shengpu et d'autres entreprises ont lancé des produits électroniques de puissance emballés en céramique. À l’heure actuelle, en raison des capacités techniques, le coût de fabrication du substrat céramique reste élevé. Cependant, on peut prédire qu'avec la percée continue des goulots d'étranglement techniques et l'amélioration continue de l'intégration des boîtiers, l'acceptation des substrats céramiques par le marché sera de plus en plus améliorée et les produits électroniques de puissance utilisant la céramique comme substrats d'emballage seront de plus en plus riches.
Le substrat en céramique a un faible coefficient de dilatation thermique, une bonne conductivité thermique et de bonnes propriétés d'isolation, et est devenu reconnu comme 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 privilégiée pour la dissipation thermique des composants électroniques de haute puissance [34].
Comme mentionné ci-dessus, la technologie de fabrication de substrats céramiques actuellement appliquée aux emballages de composants électroniques de haute puissance comprend au total six types de HTCC, LTCC, TFC, DBC, DAB, DPC, dont la poudre métallique dans le processus HTCC est principalement du tungstène, du molybdène, du manganèse et d'autres métaux à point de fusion élevé mais à faible 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 de matériaux en verre dans la suspension, sa conductivité thermique n'est que de 2 à 3 W/(m·K), par rapport au MCPCB ordinaire, les avantages ne sont pas évidents. Dans le même temps, les graphiques linéaires du HTCC et du LTCC sont réalisés à l'aide de la technologie à couche épaisse (TFC), qui présente les inconvénients d'une surface rugueuse et d'un alignement imprécis. En outre, dans le processus de frittage, il existe également un problème de retrait incohérent de la billette verte en céramique, ce qui limite dans une certaine mesure la résolution du processus de céramique cocuite, et la vulgarisation et l'application sont également confrontées à de grands défis.
En raison de la faible mouillabilité du cuivre en phase liquide sur la surface céramique dans le processus DBC, des éléments d'oxygène doivent être introduits dans des conditions de température élevée pour réaliser le revêtement de la feuille de cuivre et de la céramique matricielle, et des micropores sont facilement générés sur la surface d'interface, qui a des exigences techniques et matérielles élevées, et fait toujours l'objet de recherches par des chercheurs nationaux et étrangers. L'aluminium utilisé dans le procédé DAB est facile à oxyder à haute température, ce qui affectera la mouillabilité de l'aluminium liquide sur la surface 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 strictes et qu'une industrialisation à grande échelle n'a pas été réalisée à l'heure actuelle. À l'heure actuelle, les pays développés occidentaux, le Japon et la Corée du Sud disposent de la technologie DBC et DAB et d'avantages commerciaux. Certaines institutions de recherche scientifique en Chine ont également mené des travaux de recherche sur le DBC et le DAB et réalisé certaines avancées techniques, mais il existe encore un certain écart par rapport au niveau avancé international, les produits sont principalement utilisés dans les IGBT (diode bipolaire à grille isolée) et LD (diode laser) et autres emballages de dispositifs électriques. En raison de l'épaisse couche conductrice du DBC et du DAB, les avantages des deux substrats appliqués aux emballages LED ne sont pas évidents.
Le procédé DPC résout le problème de la mauvaise mouillabilité de la feuille de cuivre sur la surface céramique en introduisant une couche de transition métallique sur la surface céramique, et réalise avec succès la métallisation de la surface céramique en garantissant 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 de ligne et une douceur de surface élevées, ce qui est très approprié pour le revêtement de LED et l'emballage de LED de processus eutectique, et a atteint l'industrialisation en termes d'échelle de production, et est actuellement le plus en mesure de répondre aux besoins de LED à haute puissance, haute densité de lumière et direction de petite taille de développement du substrat de refroidissement d'emballage en céramique. À l'heure actuelle, la région chinoise de Taiwan détient une position monopolistique sur la technologie de base DPC, 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 à 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 des substrats DPC sur le continent a également réalisé des percées, qui peuvent également répondre dans une certaine mesure aux besoins des emballages LED haute puissance pour la dissipation thermique.
Dans le contexte de percée continue des goulets d'étranglement technologiques des processus de fabrication, la fragilité du substrat céramique est un fait incontestable. Comment utiliser son excellente conductivité thermique pour fournir des solutions de gestion de la dissipation thermique pour l'industrie des LED en développement rapide, et éviter les fissures dues à une fragilité excessive 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 découpe au laser ou la découpe à la meule pour couper de gros morceaux de céramique en un certain nombre de petits morceaux, et les implanter sélectivement dans la structure FR4, en utilisant le processus de pressage pour combiner la céramique et le FR4 ensemble pour former une structure composite dissipant la chaleur. Parmi eux, la céramique agit comme canal de dissipation thermique de la puce, de sorte que la chaleur générée par les composants électroniques pendant le processus de travail puisse être rapidement diffusée vers le monde extérieur le long de la céramique, afin d'éviter la fiabilité des composants causée par une mauvaise dissipation thermique, entraînant un risque de défaillance prématurée, comme le montrent les figures 1 et 2. Cette conception conserve non seulement la fonction de dissipation thermique de la céramique, mais résout également le problème des céramiques fragiles. Dans le même temps, l'usinage peut être réalisé sur FR4, ce qui réduit considérablement le coût élevé de découpe de céramiques pures. À l'heure actuelle, ce type de matériau de substrat composite a été appliqué à une certaine échelle dans les domaines des LED haute puissance et des IGBT.
La dissipation thermique est un problème technique clé dans le développement de composants électroniques de puissance. Compte tenu de la puissance élevée, de la petite taille et du poids léger, il est devenu la tendance de développement futur de l'emballage des composants électroniques de puissance, le substrat en céramique en plus d'excellentes caractéristiques de conductivité thermique, mais présente également une bonne isolation, une bonne résistance à la chaleur, une bonne résistance à la pression et de bonnes performances de correspondance thermique avec la puce, est devenu le premier choix pour la dissipation thermique des emballages de composants électroniques de puissance moyenne et haut de gamme. Le processus de métallisation de la surface du substrat céramique constitue un maillon 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 du produit et la gamme d'applications du substrat céramique.
1. À quoi servent les substrats céramiques ?
Les substrats céramiques, dotés d'excellentes propriétés de conductivité thermique et d'isolation, sont principalement utilisés comme substrats d'emballage dissipant la chaleur pour les composants électroniques de haute puissance, les LED, les IGBT et les diodes laser (LD), assumant les fonctions de connexion électrique, de support mécanique et de transfert de chaleur.
2.Les substrats en céramique peuvent-ils être métallisés en surface ?
Oui. La métallisation des surfaces est une condition préalable à l’application technique des substrats céramiques. Les processus courants incluent la méthode de co-cuisson (HTCC/LTCC), la méthode à couche épaisse (TFC), le cuivre à liaison directe (DBC), l'aluminium à liaison directe (DAB), le cuivre plaqué directement (DPC), etc. La couche métallique permet la conductivité électrique et la soudabilité de la céramique.
3.Quel est l’état actuel de la recherche sur la métallisation de surface des substrats céramiques ?
Les recherches actuelles se concentrent sur l’amélioration de la force de liaison métal-céramique et sur la résolution des problèmes de mouillage des interfaces, ainsi que sur l’optimisation des paramètres pour différents processus. Les pays étrangers détiennent des avantages dans les technologies DBC et DAB ; La région chinoise de Taiwan monopolise la technologie de base du DPC, et des avancées technologiques ont également été réalisées sur le continent chinois.
4.Quelles sont les tendances de développement dans la métallisation de surface des substrats céramiques ?
Les tendances incluent le raffinement (DPC pour emballage de haute précision), la réduction des coûts et la recherche et le développement de substrats composites. Parallèlement, le franchissement des barrières du processus DBC/DAB favorisera l'application à grande échelle de substrats céramiques dans les domaines des LED et des IGBT haute puissance.
5. Quel est l'impact de la métallisation de la surface des substrats céramiques sur les performances du produit ?
La métallisation de la surface détermine directement la force de liaison métal-céramique, qui à son tour affecte l'efficacité de la dissipation thermique, la fiabilité et la durée de vie des composants électroniques. De plus, la précision du processus détermine la précision du circuit, répondant ainsi aux exigences d'un emballage tridimensionnel de haute précision.
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