陶瓷基板种类及其特性分析

斯利通陶瓷电路板2017-12-15 10:10

陶瓷基板材料以其优良的导热性和稳定性,广泛应用于功率电子、电子封装、混合微电子与多芯片模块等领域。在现如今工业发展革命前夕,将会给全球工业革命带来不一样的变化。如果身为电子电器行业的人才,还知道陶瓷基板的话,可就丢人咯!那么今天,斯利通陶瓷电路板小编就来给家普及一下陶瓷基板的种类以及特征比较。

一、按材料来分

1、 Al2O3

到目前为止,氧化铝基板是电子工业中最常用的基板材料,因为在机械、热、电性能上相对于大多数其他氧化物陶瓷,强度及化学稳定性高,且原料来源丰富,适用于各种各样的技术制造以及不同的形状。目前斯利通氧化铝基板已经可以进行三维定制。

2、BeO

具有比金属铝还高的热导率,应用于需要高热导的场合,但温度超过300℃后迅速降低,最重要的是由于其毒性限制了自身的发展。

3 、AlN

AlN有两个非常重要的性能值得注意:一个是高的热导率,一个是与Si相匹配的膨胀系数。缺点是即使在表面有非常薄的氧化层也会对热导率产生影响,只有对材料和工艺进行严格控制才能制造出一致性较好的AlN基板。目前AlN生产技术国内像斯利通这样能大规模生产的少之又少,相对于Al2O3,AlN价格相对偏高许多,这个也是制约其发展的小瓶颈。不过随着经济的提升,技术的升级,这种瓶颈终会消失。

综合以上原因,可以知道,氧化铝陶瓷由于比较优越的综合性能,在目前微电子、功率电子、混合微电子、功率模块等领域还是处于主导地位而被大量运用。

二、 按制造工艺来分

现阶段较普遍的陶瓷散热基板种类共有HTCC、LTCC、DBC、DPC、LAM五种,其中LAM属于斯利通与华中科技大学国家光电实验室合作的专利技术,HTCCLTCC都属于烧结工艺,成本都会较高。

而DBC与DPC则为国内近几年才开发成熟,且能量产化的专业技术,DBC是利用高温加热将Al2O3与Cu板结合,其技术瓶颈在于不易解决Al2O3与Cu板间微气孔产生之问题,这使得该产品的量产能量与良率受到较大的挑战,而DPC技术则是利用直接镀铜技术,将Cu沉积于Al2O3基板之上,其工艺结合材料与薄膜工艺技术,其产品为近年最普遍使用的陶瓷散热基板。然而其材料控制与工艺技术整合能力要求较高,这使得跨入DPC产业并能稳定生产的技术门槛相对较高。LAM技术又称作激光快速活化金属化技术。

1、HTCC (High-Temperature Co-fired Ceramic)

HTCC又称为高温共烧多层陶瓷,生产制造过程与LTCC极为相似,主要的差异点在于HTCC的陶瓷粉末并无加入玻璃材质,因此,HTCC的必须再高温1300~1600℃环境下干燥硬化成生胚,接着同样钻上导通孔,以网版印刷技术填孔与印制线路,因其共烧温度较高,使得金属导体材料的选择受限,其主要的材料为熔点较高但导电性却较差的钨、钼、锰…等金属,最后再叠层烧结成型。

2、 LTCC (Low-Temperature Co-fired Ceramic)

LTCC 又称为低温共烧多层陶瓷基板,此技术须先将无机的氧化铝粉与约30%~50%的玻璃材料加上有机黏结剂,使其混合均匀成为泥状的浆料,接着利用刮刀把浆料刮成片状,再经由一道干燥过程将片状浆料形成一片片薄薄的生胚,然后依各层的设计钻导通孔,作为各层讯号的传递,LTCC内部线路则运用网版印刷技术,分别于生胚上做填孔及印制线路,内外电极则可分别使用银、铜、金等金属,最后将各层做叠层动作,放置于850~900℃的烧结炉中烧结成型,即可完成。

陶瓷基板种类及其特性普及

3、 DBC (Direct Bonded Copper)

直接敷铜技术是利用铜的含氧共晶液直接将铜敷接在陶瓷上,其基本原理就是敷接过程前或过程中在铜与陶瓷之间引入适量的氧元素,在1065℃~1083℃范围内,铜与氧形成Cu-O共晶液, DBC技术利用该共晶液一方面与陶瓷基板发生化学反应生成 CuAlO2或CuAl2O4相,另一方面浸润铜箔实现陶瓷基板与铜板的结合。

陶瓷基板种类及其特性普及

4、 DPC (Direct Plate Copper)

DPC亦称为直接镀铜基板, DPC基板工艺为例:首先将陶瓷基板做前处理清洁,利用薄膜专业制造技术-真空镀膜方式于陶瓷基板上溅镀结合于铜金属复合层,接着以黄光微影之光阻被复曝光、显影、蚀刻、去膜工艺完成线路制作,最后再以电镀/化学镀沉积方式增加线路的厚度,待光阻移除后即完成金属化线路制作。

陶瓷基板种类及其特性普及

5、 LAM(Laser Activation Metallization)斯利通技术

利用高能激光束将陶瓷和金属离子态化,让它们长在一起使他们牢固的结合在一起。

LAM产品的特性:

a、更高的热导率:传统的铝基电路板MCPCB的热导率是1~2W/mk,铜本身的导热率是383.8W/m.K但是绝缘层的导热率只有1.0W/m.K.左右,好一点的能达到1.8W/m.K。氧化铝陶瓷的热导率:15~35 W/m.k,氮化铝陶瓷的热导率:170~230 W/m.k,铜基板的导热率为2W/(m*K),;铝/铜基电路板:本身铝热导率高,但是铝/铜基电路板上有绝缘层,导致整块板导热率下降。斯利通可以用陶瓷基代替绝缘层,以铝/铜为基板,以陶瓷基为绝缘层。

b、更匹配的热膨胀系数:正常开灯时温度高达80℃~90℃,温度承受不住会导致焊接不牢。一般的灯是0.1w,0.3w,0.5w,对于1w,3w,5w,的灯时,PVC承受不住。陶瓷和芯片的热膨胀系数接近,不会在温差剧变时产生太大变形导致线路脱焊,内应力等问题!

c、更牢、更低阻的金属膜层:产品上金属层与陶瓷基板的结合强度高,最大可以达到45MPa(大于1mm厚陶瓷片自身的强度);金属层的导电性好,例如,得到的铜的体积电阻率小于2.5×10-6Ω.cm,电流通过时发热小;

d、基板的可焊性好,使用温度高:耐焊接,可多次重复焊接;

e、绝缘性好:耐击穿电压高达20KV/mm;

f、导电层厚度在1μm~1mm内任意定制:可根据电路模块设计任意电流,铜层越厚,可以通过的电流越大。而传统的DBC技术只能制造100μm~600μm厚的导电层;传统的DBC技术做﹤100μm时生产温度太高会融化,做﹥600μm时铜层太厚,铜会流下去导致产品边缘模糊。DPC技术国内能做到300um就很不错了,这个和技术有关,这个是在薄金属层上后期电镀铜增厚,但是在电镀溶液中离子浓度会变化,会导致在电镀过程中板子电极处很厚,而其他地方电镀不上去。斯利通的铜箔是覆上去的,所以厚度1μm~1mm内任意定制,精度很准。

g、高频损耗小:可进行高频电路的设计和组装;介电常数小,

h、可进行高密度组装:线/间距(L/S)分辨率可以达到20μm,从而实现设备的短、小、轻、薄化;

i、不含有机成分:耐宇宙射线,在航空航天方面可靠性高,使用寿命长;

j、铜层不含氧化层:可以在还原性气氛中长期使用。

k、三维基板、三维布线:这是斯利通产品的又一个独特技术。

总结:

虽LTCC、HTCC、DBC、DPC与LAM等陶瓷基板都已广泛使用与研究,然而,在高功率LED陶瓷散热领域而言,LAM在目前发展趋势看来,可以说是最适合高功率LED发展需求的陶瓷散热基板。

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