常見陶瓷基板PCB板介紹

陶瓷基板PCB

陶瓷基板是指銅箔在高溫下直接鍵合到氧化鋁(Al2O3)或氮化鋁(AlN)陶瓷基片表面( 單面或雙面)上的特殊工藝板。所制成的超薄復(fù)合基板具有優(yōu)良電絕緣性能，高導(dǎo)熱特性，優(yōu)異的軟釬焊性和高的附著強度，并可像PCB板一樣能刻蝕出各種圖形，具有很大的載流能力。因此，陶瓷基板已成為大功率電力電子電路結(jié)構(gòu)技術(shù)和互連技術(shù)的基礎(chǔ)材料。

igbt裸片加陶瓷基板底部水冷散熱方案

陶瓷基板

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陶瓷基板產(chǎn)品的問世，開啟了散熱應(yīng)用行業(yè)的新發(fā)展，由于陶瓷基板散熱特色，加上陶瓷基板具有高散熱、低熱阻、壽命長、耐電壓等優(yōu)點，隨著生產(chǎn)技術(shù)、設(shè)備的改良，產(chǎn)品價格加速合理化，進而擴大了LED產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域，如家電產(chǎn)品的指示燈、汽車車燈、路燈及戶外大型看板等。陶瓷基板的開發(fā)成功，為室內(nèi)照明和戶外亮化產(chǎn)品提供了更佳的服務(wù)，使LED產(chǎn)業(yè)未來的市場領(lǐng)域更為寬廣。

特點
◆機械應(yīng)力強，形狀穩(wěn)定；高強度、高導(dǎo)熱率、高絕緣性；結(jié)合力強，防腐蝕。
◆ 較好的熱循環(huán)性能，循環(huán)次數(shù)達5萬次，可靠性高。
◆與PCB板(或IMS基片)一樣可刻蝕出各種圖形的結(jié)構(gòu)；無污染、無公害。
◆使用溫度寬-55℃～850℃；熱膨脹系數(shù)接近硅，簡化功率模塊的生產(chǎn)工藝。

種類

一、按材料來分
1、氧化鋁(Al2O3)
氧化鋁基板是電子工業(yè)中最常用的基板材料，因為在機械、熱、電性能上相對于大多數(shù)其他氧化物陶瓷，強度及化學(xué)穩(wěn)定性高，且原料來源豐富，適用于各種各樣的技術(shù)制造以及不同的形狀。斯利通氧化鋁基板已經(jīng)可以進行三維定制。

2、氧化鈹(BeO)
具有比金屬鋁還高的熱導(dǎo)率，應(yīng)用于需要高熱導(dǎo)的場合，但溫度超過300℃后迅速降低，最重要的是由于其毒性限制了自身的發(fā)展。

氧化鈹陶瓷是以氧化鈹為主要成分的陶瓷。主要用作大規(guī)模集成電路基板，大功率氣體激光管，晶體管的散熱片外殼，微波輸出窗和中子減速劑等材料。

純氧化鈹(BeO)屬立方晶系，其密度3.03g/cm3。熔點2570℃，具有很高的導(dǎo)熱性，幾乎與紫銅純鋁相等，導(dǎo)熱系數(shù)λ為200-250W/(m.K)，還有很好的抗熱震性。其介電常數(shù)6～7（0.1MHz)。介質(zhì)損耗角正切值約為4×10-4(0.1GHz)。最大缺點是粉末有劇毒性，且使接觸傷口難于愈合。以氧化鈹粉末為原料加入氧化鋁等配料經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。制造這種陶瓷需要良好的防護措施。氧化鈹在含有水氣的高溫介質(zhì)中，揮發(fā)性會提高，1000℃開始揮發(fā)，并隨溫度升高揮發(fā)量增大，這就給生產(chǎn)帶來困難，有些國家已不生產(chǎn)。但制品性能優(yōu)異，雖價格較高，仍有相當(dāng)大的需求量。

3 、氮化鋁(AlN)
AlN有兩個非常重要的性能值得注意：一個是高的熱導(dǎo)率，一個是與Si相匹配的膨脹系數(shù)。缺點是即使在表面有非常薄的氧化層也會對熱導(dǎo)率產(chǎn)生影響，只有對材料和工藝進行嚴(yán)格控制才能制造出一致性較好的AlN基板。AlN生產(chǎn)技術(shù)國內(nèi)像斯利通這樣能大規(guī)模生產(chǎn)的少之又少，相對于Al2O3，AlN價格相對偏高許多，這個也是制約其發(fā)展的小瓶頸。不過隨著經(jīng)濟的提升，技術(shù)的升級，這種瓶頸終會消失。
綜合以上原因，可以知道，氧化鋁陶瓷由于比較優(yōu)越的綜合性能，在微電子、功率電子、混合微電子、功率模塊等領(lǐng)域還是處于主導(dǎo)地位而被大量運用。

氧化鋁

AlN最高可穩(wěn)定到2200℃。室溫強度高，且強度隨溫度的升高下降較慢。導(dǎo)熱性好，熱膨脹系數(shù)小，是良好的耐熱沖擊材料?？谷廴诮饘偾治g的能力強，是熔鑄純鐵、鋁或鋁合金理想的坩堝材料。氮化鋁還是電絕緣體，介電性能良好，用作電器元件也很有希望。砷化鎵表面的氮化鋁涂層，能保護它在退火時免受離子的注入。氮化鋁還是由六方氮化硼轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎降鸬拇呋瘎?。室溫下與水緩慢反應(yīng).可由鋁粉在氨或氮氣氛中800~1000℃合成，產(chǎn)物為白色到灰藍(lán)色粉末?；蛴葾l2O3-C-N2體系在1600~1750℃反應(yīng)合成，產(chǎn)物為灰白色粉末?；蚵然X與氨經(jīng)氣相反應(yīng)制得.涂層可由AlCl3-NH3體系通過氣相沉積法合成。

4.氮化硅 (Si3N4)

羅杰斯公司于2012年推出了新款 curamik?系列氮化硅 (Si3N4) 陶瓷基板。由于氮化硅的機械強度比其它陶瓷高，所以新款curamik? 基板能夠幫助設(shè)計者在嚴(yán)苛的工作環(huán)境以及 HEV/EV 和其它可再生能源應(yīng)用條件下實現(xiàn)至關(guān)重要的長壽命。

采用氮化硅制成的新款陶瓷基板的撓曲強度比采用 Al2O3和 AlN 制成的基板高。
Si3N4的斷裂韌性甚至超過了氧化鋯摻雜陶瓷。

時至今日，功率模塊內(nèi)使用的覆銅陶瓷基板的可靠性一直受制于陶瓷較低的撓曲強度，而后者會降低熱循環(huán)能力。對于那些整合了極端熱和機械應(yīng)力的應(yīng)用（例如混合動力汽車和電動汽車 (HEV/EV) 而言，目前常用的陶瓷基板不是最佳選擇。基板（陶瓷）和導(dǎo)體（銅）的熱膨脹系數(shù)存在很大差異，會在熱循環(huán)期間對鍵合區(qū)產(chǎn)生壓力，進而降低可靠性。在今年的 PCIM 展上羅杰斯公司推出的該款 curamik? 系列氮化硅 (Si3N4) 陶瓷基板，將使電力電子模塊的壽命延長10倍之多。

隨著 HEV/EV 和可再生能源應(yīng)用的增長，設(shè)計者找到了新方法來確保這些推動極具挑戰(zhàn)性的新技術(shù)發(fā)展所需的電子元件的可靠性。由于工作壽命比電力電子使用的其它陶瓷長10倍或者更高，所以氮化硅基板能夠提供對于達到必要的可靠性要求至關(guān)重要的機械強度。陶瓷基板的壽命是由在不出現(xiàn)剝離和其它影響電路功能與安全的故障的情況下，基板可以承受的熱循環(huán)重復(fù)次數(shù)來衡量的。該測試通常是通過從 -55°C 到 125°C 或者 150°C 對樣品進行循環(huán)運行來完成的。

curamik? 產(chǎn)品市場經(jīng)理 Manfred Goetz 說：“我們目前的測試結(jié)果（-55°C至150°C）表明，curamik? 氮化硅基板的使用壽命比汽車市場，特別是 HEV/EV，通常使用的基板長十倍以上。同樣使用氮化硅基板也令整個模塊的壽命大大提升。”

使用壽命的延長對于所有將大型半導(dǎo)體晶片直接鍵合到基板上的功率模塊應(yīng)用而言都至關(guān)重要，并且對結(jié)溫較高（高達250°C）的 SiC 和 GaN 晶片尤為重要。curamik? 氮化硅基板的熱導(dǎo)率為 90 W/mK，超過了市面上其它基板的平均值。

新款基板的機械強度使我們能夠利用更薄的陶瓷層，從而降低了熱阻，提高了功率密度，削減了系統(tǒng)成本。

與Al2O3 和 AlN 基板相比，其撓曲強度改善了很多, 設(shè)計師們將因此而受益。氮化硅的斷裂韌性甚至超過了氧化鋯摻雜陶瓷，在 90 W/mK 的熱導(dǎo)率下達到了6.5~7 MPa/√m。

二、按制造工藝來分
現(xiàn)階段較普遍的陶瓷散熱基板種類共有HTCC、LTCC、DBC、DPC、LAM五種，其中LAM屬于斯利通與華中科技大學(xué)國家光電實驗室合作的專利技術(shù)，HTCC\LTCC都屬于燒結(jié)工藝，成本都會較高。

優(yōu)越性

◆陶瓷基板的熱膨脹系數(shù)接近硅芯片，可節(jié)省過渡層Mo片，省工、節(jié)材、降低成本；
◆減少焊層，降低熱阻，減少空洞，提高成品率；
◆在相同載流量下 0.3mm厚的銅箔線寬僅為普通印刷電路板的10%；
◆ 優(yōu)良的導(dǎo)熱性，使芯片的封裝非常緊湊，從而使功率密度大大提高，改善系統(tǒng)和裝置的可靠性；
◆ 超薄型(0.25mm)陶瓷基板可替代BeO，無環(huán)保毒性問題；
◆載流量大，100A電流連續(xù)通過1mm寬0.3mm厚銅體，溫升約17℃；100A電流連續(xù)通過2mm寬0.3mm厚銅體，溫升僅5℃左右；
◆熱阻低，10×10mm陶瓷基板的熱阻0.63mm厚度陶瓷基片的熱阻為0.31K/W ，0.38mm厚度陶瓷基片的熱阻為0.19K/W，0.25mm厚度陶瓷基片的熱阻為0.14K/W。
◆ 絕緣耐壓高，保障人身安全和設(shè)備的防護能力。
◆ 可以實現(xiàn)新的封裝和組裝方法，使產(chǎn)品高度集成，體積縮小。

性能要求

（1）機械性質(zhì)
有足夠高的機械強度，除搭載元件外，也能作為支持構(gòu)件使用；加工性好，尺寸精度高；容易實現(xiàn)多層化；
表面光滑，無翹曲、彎曲、微裂紋等。
（2）電學(xué)性質(zhì)
絕緣電阻及絕緣破壞電壓高；
介電常數(shù)低；
介電損耗小；
在溫度高、濕度大的條件下性能穩(wěn)定，確保可靠性。
（3）熱學(xué)性質(zhì)
熱導(dǎo)率高；
熱膨脹系數(shù)與相關(guān)材料匹配（特別是與Si的熱膨脹系數(shù)要匹配）；
耐熱性優(yōu)良。
（4）其它性質(zhì)
化學(xué)穩(wěn)定性好；容易金屬化，電路圖形與其附著力強；
無吸濕性；耐油、耐化學(xué)藥品；a射線放出量小；
所采用的物質(zhì)無公害、無毒性；在使用溫度范圍內(nèi)晶體結(jié)構(gòu)不變化；
原材料豐富；技術(shù)成熟；制造容易；價格低。

用途
◆ 大功率電力半導(dǎo)體模塊；半導(dǎo)體致冷器、電子加熱器；射頻功率控制電路，功率混合電路。
◆智能功率組件；高頻開關(guān)電源，固態(tài)繼電器。
◆汽車電子，航天航空及軍用電子組件。
◆太陽能電池板組件；電訊專用交換機，接收系統(tǒng)；激光等工業(yè)電子。

陶瓷封裝將成為主流電子封裝技術(shù)

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