陶瓷基板對(duì)于電力電子元器件中選擇性能和產(chǎn)量至關(guān)重要

許多固態(tài)電力電子設(shè)備包括用于大功率LED、射頻/微波、電動(dòng)汽車、電氣基礎(chǔ)設(shè)施和軍事應(yīng)用等，都是依賴于物理和耐熱的陶瓷基板材料作為基礎(chǔ)。這些陶瓷材料與導(dǎo)熱和導(dǎo)電金屬結(jié)合，能助于將熱能傳遞到散熱器，而散熱器并遠(yuǎn)離關(guān)鍵設(shè)備或組件的有源區(qū)域，同時(shí)將電力電子設(shè)備與接地屏蔽層和外殼電絕緣。

由于固態(tài)電力電子器件和組件以及應(yīng)用的多樣性，可以進(jìn)行廣泛的基板制造技術(shù)和預(yù)處理。在技術(shù)中包括對(duì)幾個(gè)最常見的討論，電力電子基板制造方法和預(yù)制處理步驟對(duì)于滿足廣泛應(yīng)用的高功率電子性能要求至關(guān)重要，下面詳細(xì)描述有關(guān)陶瓷材料選擇對(duì)每種陶瓷基板制造工藝的影響進(jìn)一步了解。

一、電力電子陶瓷基板

典型的電力電子陶瓷基板由結(jié)合到金屬層的陶瓷基板組成，這使得創(chuàng)建機(jī)械和環(huán)境堅(jiān)固的基板成為可能，電力電子設(shè)備可以從該基板可靠地放置和溫度循環(huán)，同時(shí)基板將熱分散到組件主體或散熱器。此外，陶瓷基板材料和金屬層之間的粘合有助于防止金屬，它通常具有比半導(dǎo)體和陶瓷高得多的熱膨脹系數(shù)，不會(huì)在更高的溫度下膨脹并損壞電力電子元件和設(shè)備中使用的半導(dǎo)體。

在這方面，基于陶瓷材料的基板的性能優(yōu)于有機(jī)絕緣基板，因?yàn)樘沾刹牧想S著時(shí)間的推移更好地保持其尺寸穩(wěn)定性，而有機(jī)絕緣基板隨著時(shí)間的推移而劣化。具有較厚的絕緣基板(較厚的陶瓷基材)會(huì)對(duì)基板的導(dǎo)熱性產(chǎn)生負(fù)面影響，但同時(shí)也會(huì)增加基板的電絕緣性，這是必須考慮的。

在選擇陶瓷材料和基板厚度之前，先了解一下。此外，對(duì)于較大的裸片尺寸而言，具有更接近功率器件的半導(dǎo)體CTE是理想的，因?yàn)樵跍囟妊h(huán)期間將在芯片上引起較小的機(jī)械應(yīng)變。

陶瓷材料有幾種常見的方法和組合和金屬來開發(fā)電力電子基板，其中包括直接鍵合銅(DBC)、活性金屬釬焊(AMB)和厚印刷銅(TPC)。下面將描述這些基板制造方法的特點(diǎn)以及它們?nèi)绾闻c各種陶瓷基板配對(duì)。

1、直接鍵合銅(DBC)

DBC是一種非常常見的工藝，其中銅氧化物(共晶鍵)在氮和氧氣氛以及非常高的溫度(接近1070攝氏度)下在銅片與陶瓷基板中的氧化物之間形成。DBC不需要中間層材料，但溫度必須保持在1085攝氏度以下，因?yàn)殂~在此溫度下會(huì)熔化。DBC通常是一個(gè)兩層工藝，其中基板的背面是實(shí)心且無特征的銅片，其中每層的頂部銅層使用化學(xué)蝕刻構(gòu)造或用于開發(fā)電路跡線，底部銅層通常焊接到散熱器上。

由于該?藝的成本相對(duì)較低，氧化鋁通常與DBC?藝?起使?，以開發(fā)低成本的陶瓷基板。然?，與DBC共晶鍵合的敏感性使得開發(fā)?型DBC的高產(chǎn)量?規(guī)模?產(chǎn)?藝具有挑戰(zhàn)性。AlN和BeO也?于制造DBC陶瓷基板。雖然更昂貴，但AlN和BeO基材的導(dǎo)熱性?氧化鋁高得多，氮化鋁的導(dǎo)熱性是氧化鋁的七到?倍，BeO的導(dǎo)熱性是氮化鋁的兩倍。AlN還提供?氧化鋁更接近Si和SiC半導(dǎo)體芯?的CTE，但在機(jī)械上也?氧化鋁或BeO弱。因此，對(duì)于相同的機(jī)械強(qiáng)度，需要更厚的氮化鋁板。氮化鋁DBC陶瓷基板還需要額外的精密研磨和受控氧化階段，以實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)墓簿фI合。

厚銅箔和高性能陶瓷材料使DBC基板具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和可靠性，并具有良好的導(dǎo)熱性。DBC基板的厚銅也表現(xiàn)出優(yōu)異的導(dǎo)電性，?厚陶瓷在頂部電路層和接地底層之間提供了實(shí)質(zhì)性的電絕緣，焊接和粗線階段也很容易在DBC陶瓷基板上進(jìn)行。

2、活性金屬釬焊(AMB)

對(duì)于AMB工藝金屬箔(通常是銅)，使用真空釬焊工藝與陶瓷結(jié)合。在AMB期間最常使用銀和銅，以及額外的鈦或銦釬焊材料。AMB溫度范圍為800到1000攝氏度，通常比釬焊合金的熔化溫度高50到100攝氏度。AMB陶瓷基板在真空或惰性氣氛中制造，以防止高反應(yīng)性釬焊合金的化學(xué)作用。

AMB陶瓷基板通常由氧化鋁或氮化鋁組成，氧化鋁AMB陶瓷基板可以受益于比氮化鋁AMB基板更厚的銅箔層，因?yàn)檠趸X更高的機(jī)械強(qiáng)度有助于防止金屬與半導(dǎo)體的CTE不匹配對(duì)半導(dǎo)體造成損壞。與較薄的銅AMB基板相比，AMB基板中較厚的銅可實(shí)現(xiàn)更大的載流能力并改善熱擴(kuò)散，這可以轉(zhuǎn)化為對(duì)功率器件的更好熱控制或隨后更小的功率器件裸片尺寸。

另一種使用釬焊的工藝是直接粘合鋁(DBA)，它實(shí)際上使用鋁硅(AISi)復(fù)合材料將厚鋁箔粘合到陶瓷上。盡管鋁的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性低于銅，但較軟的鋁箔在溫度循環(huán)期間對(duì)半導(dǎo)體芯片的物理應(yīng)變也較小。因此，與帶有銅箔的DBC或AMB相比，DBA基板通常可以經(jīng)歷更多的熱循環(huán)。

3、厚印刷銅(TPC)

TPC基板是通過絲網(wǎng)印刷將銅粉漿料施加到陶瓷基板上，然后在850到950攝氏度之間燒制以將銅粉燒結(jié)到陶瓷上來制造的。TPC在金屬和陶瓷之間形成高粘合力，從而在溫度循環(huán)期間實(shí)現(xiàn)極高的可靠性。此外，使用TPC可以在同一基板上開發(fā)粗而寬的銅跡線以及細(xì)而窄的銅跡線，從而可以同時(shí)開發(fā)邏輯、模擬、射頻和大功率電路。

在非常厚的銀和銅導(dǎo)體，介于25和300微米之間，可以在各種陶瓷基板上開發(fā)。與其他基板制造工藝不同，TPC基板可以使用通孔互連構(gòu)建，可用于開發(fā)多面電路或高導(dǎo)熱通孔以增強(qiáng)散熱。過去幾十年來，TPC基板一直用于軍事、汽車、航空航天和其他需要極高可靠性的高功率應(yīng)用。

陶瓷和金屬的結(jié)合也可以通過TPC工藝進(jìn)行定制，以控制陶瓷中的結(jié)合深度。此外，可以使用玻璃和氧化物材料等粘合促進(jìn)材料來增強(qiáng)金屬漿料，以調(diào)整TPC基板的CTE，以更好的匹配功率器件芯片的半導(dǎo)體。TPC基板也可以使用標(biāo)準(zhǔn)組裝工藝制造，例如焊接和粗線接合。與TPC類似的較新技術(shù)是銀燒結(jié)和銀焊接。這些方法使用銀(Ag)金屬粉末或錫銀(SnAg)在陶瓷基材上形成非常導(dǎo)熱和導(dǎo)電的跡線。銀焊接和燒結(jié)工藝都需要極其精確的溫度和時(shí)間控制，陶瓷基材的表面光潔度也必須與工藝完美匹配，以實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)母街Α?/p>

二、陶瓷和半導(dǎo)體陶瓷基板的預(yù)制加工

陶瓷材料的表面光潔度、厚度、弧度和平行度對(duì)于每個(gè)基板制造過程的成功至關(guān)重要。此外，陶瓷材料批次之間的一致性會(huì)極大地影響電力電子設(shè)備或組裝產(chǎn)品線的整體可靠性和性能。因此，在為需要高可靠性和一致性能的高功率應(yīng)用設(shè)計(jì)和制造電子產(chǎn)品時(shí)，對(duì)研磨和拋光過程的控制至關(guān)重要。

盡管通常認(rèn)為研磨和拋光陶瓷可以達(dá)到最低要求的規(guī)格以降低成本，或者使陶瓷材料盡可能光滑，但這些解決方案都不太可能生產(chǎn)出可行的陶瓷基板電力電子應(yīng)用。精確的表面光潔度、厚度和平行度都必須根據(jù)特定的基板制造工藝進(jìn)行確定和定制，并在批次之間準(zhǔn)確復(fù)制。此外，必須指定表面厚度以與金屬層上電路跡線的精度相一致。金屬跡線的更高精度通常需要特定于工藝的表面光潔度。

表面光潔度是金屬層與陶瓷材料粘合的一個(gè)關(guān)鍵方面，太粗糙或太細(xì)的表面光潔度都可能導(dǎo)致粘合不可靠，從而導(dǎo)致分層、過熱或早期器件故障，研磨和拋光是用于精確控制表面光潔度的兩種預(yù)制工藝。然而，每種陶瓷材料只能研磨或拋光到其各自的表面光潔度極限，研磨和拋光到更精確的表面處理也需要更長的處理時(shí)間，這必須在供應(yīng)鏈過程中加以考慮。

陶瓷材料的厚度也是陶瓷基板熱導(dǎo)率和電絕緣特性權(quán)衡的決定因素，必須精確控制。研磨通常用于從陶瓷基板的一側(cè)或兩側(cè)去除材料，以產(chǎn)生非?？煽氐暮穸瘸叽纾叽绾凸钤絿?yán)格，就需要更精確和耗時(shí)的研磨工藝。因?yàn)樾枰褂酶?xì)的磨料來確保更高的精度，為了獲得更高的厚度精度，可以執(zhí)行拋光階段這可以以去除材料厚度并提高表面光潔度。

陶瓷基材的平整度和平行度對(duì)于高產(chǎn)電力電子制造工藝也很重要，陶瓷材料較差的平整度和平行度會(huì)導(dǎo)致與基材金屬層的粘附性、導(dǎo)熱性和電絕緣性不一致。對(duì)于TPC和其他印刷應(yīng)用，平整度和平行度差也可能導(dǎo)致印刷過程中走線厚度和放置不準(zhǔn)確。

通常研磨工藝用于將陶瓷燒成弧度和平行度提高到非常高的程度，大多數(shù)研磨機(jī)是單面研磨機(jī)，但也有雙面研磨機(jī)與單面研磨機(jī)相比，其工藝速度和性能有所提高。與單面研磨選項(xiàng)相比，由熟練技術(shù)人員操作的雙面研磨機(jī)可以實(shí)現(xiàn)最精確的平行度和平整度，并且通常需要更少的處理時(shí)間來達(dá)到所需的厚度。為獲得最佳一致性，如果加工公差必須在每件和每批之間幾乎相同，雙面鋪網(wǎng)機(jī)可以快速提供+/-0.0001英寸超過4.5英寸的厚度公差。在需要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行極端控制的情況下，可以在研磨后使用拋光階段來改善表面光潔度和厚度公差，憑借改進(jìn)的平整度公差，雙面研磨工藝還可以提高單面研磨的拋光性能。

最終，電力電子陶瓷基板制造的可靠性、性能和良率取決于陶瓷基材研磨和拋光工藝的精度和質(zhì)量。此外，可靠的陶瓷材料采購對(duì)于擁有一致的供應(yīng)鏈以開發(fā)基于陶瓷的電力電子基板也是必不可少的。

審核編輯：湯梓紅