摘要
40多年來(lái),,設(shè)計(jì)和制造傳統(tǒng)混合電路的首選基板一直是氧化鋁,。它提供了正確電路操作所需的機(jī)械強(qiáng)度,、電阻率和熱性能。然而,,在過(guò)去幾年中,,我們經(jīng)歷了混合技術(shù)向具有高度復(fù)雜、密集電路配置的電子設(shè)備的轉(zhuǎn)變,,這些電子設(shè)備比以前的設(shè)計(jì)產(chǎn)生更多的功率,,從而產(chǎn)生更多的熱量。這需要使用具有更高導(dǎo)熱性的基板來(lái)正確管理傳熱和散熱,,以保持終端設(shè)備的最佳性能和功能,。氮化鋁顯示的熱性能為設(shè)計(jì)工程師提供了一種可靠的替代傳統(tǒng)氧化鋁的方法。
在創(chuàng)造新的令人興奮的可能性的同時(shí),,氮化鋁的使用也為厚膜供應(yīng)商和電路制造商帶來(lái)了一系列不同的挑戰(zhàn),。由于熱膨脹失配,以及在燒制過(guò)程中影響附著力的基板發(fā)生的化學(xué)變化,,以前適用于氧化鋁的厚膜漿料通常與氮化鋁不相容,。為了克服這一挑戰(zhàn)以及高功率、高可靠性電路應(yīng)用的性能要求,,賀利氏開(kāi)發(fā)了一種符合RoHS和REACH標(biāo)準(zhǔn)的新型厚膜漿料,。此外,我們還開(kāi)發(fā)了電阻漿料和兼容的玻璃釉,。本文將討論上述厚膜材料及其可靠性測(cè)試前后的關(guān)鍵性能,。這包括導(dǎo)體的附著力、電阻值及其TCR,。
關(guān)鍵詞
附著力,,氮化鋁,可靠性,,電阻,,厚膜,TCR
一,、 導(dǎo)言
厚膜混合電路技術(shù)以一種基板和元器件集成形式出現(xiàn)了近60年【1】,。與典型的覆銅線板相比,厚膜在更小的封裝中提供了類(lèi)似或優(yōu)異的性能,,具有更好的散熱優(yōu)勢(shì),。傳統(tǒng)上,用于印刷混合電路的基板是氧化鋁,。它成功地滿足了大多數(shù)功能操作要求:體積電阻率,、高溫穩(wěn)定性、低表面粗糙度,、可接受的導(dǎo)熱性,,以及與用于制造導(dǎo)體、電阻器,、電介質(zhì)和玻璃釉的各種材料(玻璃,、金屬氧化物和貴金屬)的兼容性。此外,,它提供了一個(gè)寬的處理窗口,,有助于最大限度地減少厚膜的性能變化。然而,,市場(chǎng)已不斷需求更高功率密度和更好熱量的小型設(shè)備耗散以提高設(shè)備性能,。為了有效地制作這些設(shè)備,熱導(dǎo)率必須比氧化鋁基板所能提供的還要高,。為了滿足這一要求,,更具導(dǎo)熱性的氮化鋁基板得到使用。如表1【2】所示,,根據(jù)制造商的不同,,氮化鋁的熱導(dǎo)率可以比氧化鋁高7.5到10倍,,同時(shí)在相同的工藝窗口內(nèi)仍保持類(lèi)似的功能特性。
表1:氧化鋁和氮化鋁陶瓷基板的性能比較
出于上述原因,,在電力電子和功率LED封裝中,,氮化鋁似乎是比氧化鋁更好的選擇。然而,,氮化鋁還具有其他固有特性,,這給厚膜供應(yīng)商帶來(lái)了挑戰(zhàn),尤其是在附著力方面,。氮化鋁的熱膨脹系數(shù)比氧化鋁低得多,。厚膜電路常用的氧化鋁為96%,其余主要為玻璃相,,厚膜漿料中的玻璃和氧化鋁96瓷中的玻璃相在燒結(jié)時(shí)形成鍵接,,從而達(dá)到很好的附著力,但AlN表面卻沒(méi)有這些玻璃相,,所以常規(guī)的用于氧化鋁96瓷的漿料無(wú)法用于AlN上,,且因?yàn)闊崤蛎洸黄ヅ淇赡軐?dǎo)致零件燒制后彎曲和/或開(kāi)裂。氮化鋁在高于700°C的溫度下也會(huì)氧化,,通常用于氧化鋁的許多玻璃會(huì)加速和增強(qiáng)氧化,,產(chǎn)生游離氮,從而破壞薄膜,,導(dǎo)致起泡,,從而直接影響附著力以及導(dǎo)電性和電氣性能。賀利氏通過(guò)開(kāi)發(fā)一系列厚膜漿料產(chǎn)品允許在氮化鋁上構(gòu)建混合電路,。我們將討論各種多層混合電路,,重點(diǎn)介紹幾種導(dǎo)體(銀、銀鈀,、銀鉑,、銅和金)以及兩種電阻膏,玻璃釉,。對(duì)于導(dǎo)體,,我們將詳細(xì)說(shuō)明幾個(gè)關(guān)鍵性能特性,如初始附著力和長(zhǎng)期可靠性測(cè)試后的附著力,,包括150°C老化附著力和85°C/85%RH(相對(duì)濕度),。將對(duì)金導(dǎo)體進(jìn)行相同的測(cè)試;然而,,附著力將基于金絲鍵合,。對(duì)于電阻漿料,我們將在進(jìn)行可靠性測(cè)試后測(cè)量電阻變化和TCR(電阻溫度系數(shù)),,無(wú)論是否使用上釉,。
二,、加工厚膜導(dǎo)體(銀、銀鈀)
在2"x2"的Maruwa氮化鋁(AlN-170)基板上印制了以下導(dǎo)體漿料:CL80-11157(Ag),、C2360(6:1 Ag/Pd),。在兩個(gè)零件上進(jìn)行了初始和重新燃燒的附著力試驗(yàn)。其余10個(gè)零件用于可靠性測(cè)試,。其中5個(gè)用于150°C老化,5個(gè)用于85°C/85%RH試驗(yàn),。
對(duì)于銀,、銀鈀的導(dǎo)線通過(guò)線徑為1.3 mil的280目/0.5 mil的乳膠膜不銹鋼絲網(wǎng),使用70硬度的刮板,。印刷后,,將零件流平10分鐘并放置在150°C的箱式爐中10分鐘,以確保漿料完全干燥,。在燒結(jié)爐中停留10分鐘的850°C峰值溫度,。
圖1顯示了每個(gè)導(dǎo)體的燒結(jié)微觀結(jié)構(gòu)的SEM圖像。導(dǎo)體內(nèi)的玻璃/金屬氧化物在導(dǎo)體和基板之間的界面處形成了一層結(jié)晶,,這會(huì)產(chǎn)生一種對(duì)粘合至關(guān)重要的機(jī)械粘合,。CL80-11157(1a) 和 C2360(1b),結(jié)晶的的微觀結(jié)構(gòu)非常相似,。這是因?yàn)閷?dǎo)體具有類(lèi)似的玻璃和金屬氧化物化學(xué)性質(zhì),。
圖1:氮化鋁厚膜導(dǎo)體的截面
為了準(zhǔn)備用于附著力測(cè)試的樣品(圖2),將錫鉛絲焊接到每個(gè)已燒結(jié)的樣品上的80 x 80 mil導(dǎo)體焊盤(pán)上,。樣品在250°C下浸入Alpha 615 RMA助焊劑并放入無(wú)鉛SAC305(Sn96.5/Ag3.0/Cu-0.5)焊料中5秒鐘,。焊接后,引線彎曲成90度角,。使用Zwick/Roell Z2.5剝離測(cè)試儀,,移除電線并測(cè)量附著力。
圖2:使用Alpha 615 RMA助焊劑在250°C下通過(guò)SAC305焊料對(duì)導(dǎo)體和導(dǎo)線連接至導(dǎo)體焊盤(pán)的可焊性測(cè)試
三,、 附著力性能評(píng)估
表2列出了各導(dǎo)體的特性,。漿料的粘度和流變性適合絲網(wǎng)印刷應(yīng)用。燒成膜厚度和電阻率測(cè)量基于之前概述的加工條件,。
表2:導(dǎo)體漿料特性
圖3顯示了初始和重復(fù)燒結(jié)的附著力結(jié)果,。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用,大于4.0磅的初始附著力值被認(rèn)為是可以接受的,。正如預(yù)期的那樣,,再次燒結(jié)后附著力降低。這可歸因于多種因素:導(dǎo)體內(nèi)玻璃成分的回流,、玻璃/金屬氧化物與金屬顆粒反應(yīng)方式的變化和/或與氮化鋁基板氧化相關(guān)的化學(xué)反應(yīng),。通常,,再次燒結(jié)后,可以接受大于3.0磅的附著力,。除CL80-11157(Ag)略低于外,,C2360超過(guò)了3.0磅的附著力目標(biāo)。表3和表4分別說(shuō)明了150°C老化和85°C/85%相對(duì)濕度可靠性試驗(yàn)的結(jié)果,。
圖3:導(dǎo)體附著力(初始與3次重復(fù)燒結(jié))
150°C老化結(jié)果(表3)表明CL80-11157(Ag),、C2360(Ag/Pd)導(dǎo)體的初始(1x燒結(jié))附著力在1000小時(shí)后>4.0磅。老化后,,CL80-11157(Ag)對(duì)于單次燒結(jié)的樣品附著力幾乎不變,,但對(duì)于3次燒結(jié)的樣品,附著力是增加的,。
表3:導(dǎo)體150°C老化后附著力(lbs.) 表4:導(dǎo)體85°C/85%RH老化后附著力(lbs.)
85°C/85%相對(duì)濕度研究的結(jié)果(表4)表明,,所有導(dǎo)線的初始(1x燃燒)附著力均超過(guò)了4.0磅的目標(biāo)值。再次,,我們注意到多次燒結(jié)后的附著力在雙85試驗(yàn)后有所降低,。
四、 金導(dǎo)體加工
在2“x2”的Maruwa氮化鋁(AlN-170)基板上印制一層C5730金導(dǎo)體,。印刷,、干燥和燒制試驗(yàn)條件與前面討論的導(dǎo)體相同。燒成后,,使用1.25密耳金絲,,在2個(gè)樣品(30次拉拔樣品)上測(cè)量初次燒成、3次再燒成和5次再燒成的金導(dǎo)體附著力,。圖4顯示了金的微觀結(jié)構(gòu)和引線鍵合,。燒制導(dǎo)體的橫截面用4a表示。與之前的導(dǎo)體(圖1)的方式大致相同,,在界面處形成了一層玻璃層,,形成了一種機(jī)械結(jié)合,有助于提高附著力值,。圖4b顯示了完整的導(dǎo)線鍵合,,而4c和4d顯示了4b中所示楔形鍵合和球形鍵合的高倍視圖。粘結(jié)層干凈,,無(wú)開(kāi)裂或分層跡象,。在1x、3x,、5x燃燒后,,還對(duì)兩個(gè)樣品進(jìn)行了附著力測(cè)試,以進(jìn)行以下可靠性測(cè)試:在150°C和85°C下老化,,在0,、48,、100、250,、500和1000小時(shí)下進(jìn)行85%相對(duì)濕度測(cè)試,。
圖4:C5730金導(dǎo)體在氮化鋁上和金線鍵合的SEM照片。
五,、金導(dǎo)體屬性/性能評(píng)估
C5730金導(dǎo)體的粘度為280–380 Pa-s,,使用Brookfield HBT粘度計(jì)在25°C溫度下使用6R杯,SC4-14號(hào)軸,,在10rpm下測(cè)量,。在12μm的標(biāo)準(zhǔn)化厚度下,固體含量為84–87%,,電阻率<5.5毫歐/平方,。附著力結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6,。通常,,金線粘結(jié)附著力>12克,界面斷線是可取的,。正如我們?cè)趫D5中所看到的,,初始和再燒結(jié)后的附著力沒(méi)有統(tǒng)計(jì)差異。中值保持不變,。
圖5:初始和重新燒結(jié)后的1.25密耳金絲鍵合界面圖
圖6:可靠性測(cè)試后C5730初始和重復(fù)燒結(jié)導(dǎo)體上的金絲拉力結(jié)果
圖6顯示了150°C老化,、85°C/85%RH和-55–150°C熱循環(huán)可靠性研究產(chǎn)生的導(dǎo)線粘結(jié)附著力。結(jié)果表明,,初始,、3次再燒和5次再燒之間的附著力沒(méi)有顯著差異。此外,,1000小時(shí)老化后,、1000小時(shí)85°C/85%RH和1000次熱循環(huán)后的值實(shí)際上大于初始附著力。數(shù)值范圍為14-17克,,遠(yuǎn)高于12克的目標(biāo)值,。
六、 電阻器加工
最初為氧化鋁開(kāi)發(fā)的兩種無(wú)鉛電阻漿料與氮化鋁具有良好的兼容性,。R2211為10Ω/□電阻漿料,,R2221為Ω/□電阻漿料。印刷,、干燥和燒制條件與上述導(dǎo)體漿料相同,。電阻器印刷在已有C2360(銀/鈀)導(dǎo)體的樣品上。兩個(gè)樣品分別用于3次再燒和5次再燒試驗(yàn),。六個(gè)樣品用于可靠性測(cè)試,。兩個(gè)樣品用于150°C老化,,兩個(gè)樣品用于85°C/85%RH,兩個(gè)用于熱循環(huán)(-55°C–150°C)測(cè)試,。
還有六個(gè)樣品印刷了玻璃釉漿料(IP9002),。IP9002通過(guò)200目篩網(wǎng)印刷,使用70硬度計(jì)刮板,,鋼絲直徑為1.6密耳,,乳膠厚度為0.5密耳。干燥后,,在600°C下燒制,,在峰值溫度下停留5分鐘。在這些樣品上進(jìn)行可靠性測(cè)試的方式與無(wú)釉的樣品相同,。在有釉和無(wú)釉的每個(gè)條件下,,測(cè)量電阻變化以及+TCR和-TCR。
七,、電阻器/印刷釉后特性和性能評(píng)估
表5列出了R2211和R2221電阻器的特性,。
表5:電阻器印刷后情況
表6和表7列出了R2211和R2221電阻器在多次燒結(jié)后以及使用IP9002釉后的電阻變化。正如預(yù)期的那樣,,電阻隨著多次燒結(jié)而降低,。我們還觀察到,在印刷有釉之后,,電阻變化是可預(yù)測(cè)和可再現(xiàn)的,。
表8-10顯示了在150°C老化、85°C/85%RH和-55°C–150°C熱循環(huán)可靠性測(cè)試后,,R2211和R2221與有IP9002釉的電阻變化,。在150°C和85°C/85%RH下1000小時(shí)后,有釉的電阻變化小于5%,,這在10%的典型行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),。同樣,500次熱循環(huán)后的變化在目標(biāo)限值內(nèi),。
表11-12顯示了150°C老化和85°C/85%RH(有或沒(méi)有IP9002釉)后的TCR值,。熱TCR測(cè)量在125°C下進(jìn)行,冷TCR測(cè)量在-55°C下進(jìn)行,。在老化研究中,,當(dāng)用玻璃釉時(shí),兩個(gè)電阻器的熱TCR和冷TCR變化很小,。而在85°C/85%RH研究中,,有釉層時(shí)TCR的變化很大(表12)。
八、結(jié)論
賀利氏已開(kāi)發(fā)出用于氮化鋁基板的符合RoHS和REACH兼容的無(wú)鉛厚膜漿料,,這包括銀,、銀/鈀和金導(dǎo)體,以及兩個(gè)具有兼容玻璃釉的電阻漿料,。所提供的數(shù)據(jù)清楚地表明,,這些產(chǎn)品的性能特征與為氧化鋁基板設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)厚膜漿料相似。對(duì)于大多數(shù)導(dǎo)體,,可靠性測(cè)試前后測(cè)得的附著力值滿足標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)厚膜要求,。與導(dǎo)體非常相似,10歐姆和100歐姆電阻器可產(chǎn)生良好的性能結(jié)果,。這包括可重復(fù)生產(chǎn)的穩(wěn)定阻值,、優(yōu)異的再燒性以及在進(jìn)行可靠性測(cè)試后(無(wú)論是否有玻璃釉)可預(yù)測(cè)的TCR值。
目前賀利氏開(kāi)發(fā)的用于AlN基板的材料如下表所列:
所以該系列產(chǎn)品為需要使用氮化鋁改善散熱的應(yīng)用提供了理想的解決方案,。這解決了工業(yè)對(duì)高密度汽車(chē)混合動(dòng)力車(chē),、加熱器總成和LED照明的需求及更多功率電子產(chǎn)品的應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
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