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氮化铝基大功率混合电路厚膜材料
(2024年7月13日更新)

摘要

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氧化铝一直是传统混合电路设计和制造的首选基板。它提供了正确电路操作所需的机械强度、电阻率和热性能。然而,在过去的几年里,我们经历了混合技术向具有高度复杂和密集电路配置的电子设备的转变。这些电子设备比以前的设计产生更多的功率和热量。为了保持终端设备的最佳性能和功能,需要使用导热性较高的基板来正确管理传热和散热。氮化铝的热性能为设计工程师提供了替代传统氧化铝的可靠方法。

氮化铝的使用也给厚膜供应商和电路制造商带来了一系列不同的挑战,同时创造了令人兴奋的新可能性。由于热膨胀不匹配和烧制过程中影响附着力的基板的化学变化,以前适合氧化铝的厚膜浆通常与氮化铝不相容。贺利氏开发了一种符合这一挑战和高功率、高可靠性电路应用的性能要求的方法RoHS和REACH新型厚膜浆料的标准。此外,我们还开发了电阻浆和兼容玻璃釉。本文将讨论上述厚膜材料及其可靠性测试前后的关键性能。这包括导体的附着力、电阻值及其TCR。

关键词

附着力、氮化铝、可靠性、电阻、厚膜、TCR

一、 导言

近60年来,厚膜混合电路技术以基板和部件集成的形式出现。厚膜在较小的封装中具有相似或优异的性能,具有较好的散热优势,而不是典型的覆铜板。传统上,印刷混合电路的基板是氧化铝。它成功地满足了大多数功能操作要求:体积电阻率、高温稳定性、低表面粗糙度、可接受的导热性,以及各种材料(玻璃、金属氧化物和贵金属)的兼容性,用于制造导体、电阻器、电介质和玻璃釉。此外,它还提供了一个宽处理窗口,以最大限度地减少厚膜的性能变化。然而,为了提高设备性能,市场不断需要功率密度更高、热量更好的小型设备。为了有效地制造这些设备,热导率必须高于氧化铝基板。使用更具导热性的氮化铝基板,以满足这一要求。如表12所示,氮化铝的热导率可比氧化铝高7.5-10倍,同时在同一工艺窗口中保持类似的功能特性。

表1:氧化铝和氮化铝陶瓷基板的性能比较

由于上述原因,电力电子和功率LED氮化铝似乎比氧化铝更好。然而,氮化铝还具有其他固有的特性,这给厚膜供应商带来了挑战,特别是在附着力方面。氮化铝的热膨胀系数远低于氧化铝。厚膜电路中常用的氧化铝为96%,其余以玻璃相为主。烧结时,厚膜浆中的玻璃与氧化铝96瓷中的玻璃相形成键接,达到良好的附着力,但AlN但是表面没有这些玻璃相,所以氧化铝96瓷常料不能用于AlN而且由于热膨胀不匹配,零件烧制后可能会弯曲/或开裂。氮化铝高于700°C在温度下也会氧化。许多通常用于氧化铝的玻璃会加速和增强氧化,产生游离氮,破坏薄膜,导致气泡,直接影响附着力、导电性和电气性能。通过开发一系列厚膜浆料产品,贺利氏允许在氮化铝上建造混合电路。我们将讨论各种多层混合电路,重点介绍几种导体(银、银钯、银铂、铜、金)和两种电阻膏和玻璃釉。对于导体,我们将详细说明初始附着力和长期可靠性测试后的附着力,包括150°C老化附着力和85°C/85%RH(相对湿度)。对金导体进行同样的测试;然而,附着力将基于金丝键合。对于电阻浆料,我们将在可靠性测试后测量电阻变化和TCR(电阻温度系数),(电阻温度系数)。

二、加工厚膜导体(银、银钯)

在2"x2"的Maruwa氮化铝(AlN-以下导体浆料印在基板上:CL80-11157(Ag)、C2360(6:1 Ag/Pd)。对两个部件进行了初始和重新燃烧的附着力试验。其余10个部件用于可靠性测试。其中5个用于150°C85用于老化,5用于85°C/85%RH试验。

银钯导线的线径为1.3 mil的280目/0.5 mil乳胶膜不锈钢丝网采用70硬度刮板。印刷后,将零件流平10分钟,放置150°C箱式炉10分钟,确保浆料完全干燥。在烧结炉中停留10分钟°C峰值温度。

图1显示了每个导体烧结的微观结构SEM图像。导体中的玻璃/金属氧化物在导体与基板之间的界面上形成一层晶体,这将产生一种对粘合至关重要的机械粘合。CL80-11157(1a) 和 C2360(1b),晶体的微观结构非常相似。这是因为导体具有类似的玻璃和金属氧化物化学性质。

图1:氮化铝厚膜导体截面

为了准备附着力测试样品(图2),将锡铅丝焊接到每个烧结样品上的80个 x 80 mil在导体焊盘上。样品在250°C下浸入Alpha 615 RMA加入无铅助焊剂SAC305(Sn96.5/Ag3.0/Cu-0.5)焊料5秒。焊接后,引线弯曲成90度角。使用Zwick/Roell Z2.剥离测试仪,拆除电线,测量附着力。

图2:使用Alpha 615 RMA助焊剂在250°C下通过SAC305焊料可焊性试验将导体和导线连接到导体焊盘

三、附着力性能评估

表2列出了每个导体的特性。浆料的粘度和流变性适用于丝网印刷。烧成膜厚度和电阻率测量基于上述加工条件。

表2:导浆特性

图3显示了初始和重复烧结的附着力结果。对于大多数应用来说,超过4.0磅的初始附着力值被认为是可以接受的。正如预期的那样,再次烧结后附着力降低。这可以归因于各种因素:导体中玻璃成分的回流、玻璃/金属氧化物与金属颗粒反应方式的变化以及与氮化铝基板氧化有关的化学反应。通常,再次烧结后,可接受3.0磅以上的附着力。除CL80-11157(Ag)略低于外,C2360超过3.0磅的附着力目标。表3和表4分别说明150°C老化和85°C/85%相对湿度可靠性试验结果。

图3:导体附着力(初始和三次重复烧结)

150°C老化结果(表3)CL80-11157(Ag)、C2360(Ag/Pd)导体的初始(1x烧结)1000小时后附着力>4.0磅。老化后,CL80-11157(Ag)单次烧结样品的附着力几乎不变,但三次烧结样品的附着力增加。

表3:导体150°C老化后的附着力(lbs.)

表4:导体85°C/85%RH老化后的附着力(lbs.)

85°C/85%相对湿度研究结果(表4)表明所有导线的初始(1x燃烧)附着力超过4.0磅的目标值。第三,我们注意到双85试验后多次烧结后的附着力有所下降。

四、 金导体加工

在2“x2”的Maruwa氮化铝(AlN-170)在基板上印一层C5730金导体。印刷、干燥和烧制试验条件与前面讨论的导体相同。烧成后,用1.25密耳金丝在2个样品(30个拉拔样品)上测量第一次烧成、3次烧成和5次烧成的金导体附着力。图4显示了金的微结构和引线键合。烧制导体横截面4a表示。与之前的导体(图1)大致相同,界面形成一层玻璃层,形成机械组合,有助于提高附着力值。图4b显示完整的导线键合,4c和4d显示了4b楔形键合和球形键合的高倍视图。粘结层干净,无裂纹或分层迹象。在1x、3x、5x燃烧后,为了进行以下可靠性测试,还对两个样品进行了附着力测试:150°C和85°C在0、48、100、250、50000、250、500和1000小时内进行。

图4:C氮化铝上的5730金导体与金线键合SEM照片。

导体属性/性能评估

C5730金导体的粘度为280–380 Pa-s,使用Brookfield HBT粘度计在25°C温度下使用6R杯,SC4-14号轴,在10rpm下测量。在12μm在标准化厚度下,固体含量为84–87%,电阻率<5.5毫欧/平方。附着力结果见图5和图6。一般来说,金线的粘结附着力>界面断线12克是可取的。正如我们在图5中所看到的,初始和再烧结后的附着力没有统计差异。中值保持不变。

图5:1.25密耳金丝键合界面图,初始和重新烧结

图6:可靠性测试后C5730初始和重复烧结导体上的金丝拉力结果

图6显示了150°C老化、85°C/85%RH和-55–150°C热循环可靠性研究产生的导线附着力。结果表明,初始、三次、五次的附着力没有显著差异。此外,1000小时老化后,1000小时85°C/85%RH1000次热循环后的值实际上大于初始附着力。目标值为14-17克,远高于12克。

六、 电阻器加工

氧化铝开发的两种无铅电阻浆与氮化铝兼容性好。R2211为10Ω/□电阻浆料,R2221为Ω/□电阻浆料。与上述导体浆料相同的印刷、干燥和烧制条件。现有印刷电阻器C2360(银/钯)导体样品。三次再烧和五次再烧试验分别使用两个样品。可靠性测试六个样品。150用两个样品°C老化,85°C/85%RH,两个用于热循环(-555°C–150°C)测试。

还有六个样品印有玻璃釉浆(IP9002)。IP9002用200目筛印刷,钢丝直径为1.6密耳,乳胶厚度为0.5密耳。干燥后,在600°C在峰值温度下停留5分钟。可靠性测试与无釉样品相同。测量有釉和无釉的电阻变化和 TCR和-TCR。

七、电阻/印刷特性及性能评估

表5列出了R2211和R2221电阻器的特性。

表5:电阻器打印后的情况

列出了表6和表7R2211和R多次烧结后使用2221电阻器IP9002釉后的电阻变化。正如预期的那样,电阻随着多次烧结而降低。我们还观察到,印刷釉后,电阻变化是可预测和可再现的。

表6:电阻多次重烧变化

表7:玻璃釉的电阻变化

表8-10显示了在150°C老化、85°C/85%RH和-55°C–150°C热循环可靠性测试后,R2211和R2221与有IP9002釉的电阻变化。°C和85°C/85%RH在典型行业标准的10%范围内,釉面电阻变化小于5%。同样,500个热循环后的变化也在目标限值内。

表8:电阻变化(150)°C老化)

表9:电阻变化(855)°C/85%相对湿度)

表10:电阻变化(TC:-55°C–150°C)

表11-12显示了150°C老化和85°C/85%RH(有或没有IP9002釉)后的TCR值。热TCR测量在125°C下进行,冷TCR测量在-55°C下一步。在老化研究中,当使用玻璃釉时,两个电阻器的热量TCR和冷TCR变化很小°C/85%RH在研究中,有釉层TCR变化很大(表12)。

表11:热冷TCR(150°C老化)

表12:热冷TCR(85°C/85%相对湿度)

八、结论

贺利氏已开发出氮化铝基板的合规性RoHS和REACH包括银、银/钯和金导体以及两种与玻璃釉兼容的电阻浆。提供的数据清楚地表明,这些产品的性能特性与传统的氧化铝基板厚膜浆相似。对于大多数导体,可靠性测试前后测得的附着力值符合标准工业厚膜的要求。10欧姆和100欧姆电阻器与导体非常相似,可以产生良好的性能效果。这包括可重复生产的稳定电阻值和优点Sumida代理经过可靠性测试(无论是否有玻璃釉),异常再烧性和可预测性TCR值。

目前,贺利氏是用来开发贺利氏的AlN基板材料如下表所列:

因此,该系列产品为应用氮化铝来改善散热提供了理想的解决方案。这解决了高密度汽车混合动力汽车、加热器总成和工业问题LED照明需求和更多功率电子产品的应用。

参考文献

【1】 R.G.Loasby和P.J.Holmes厚膜技术的发展(书体、书名、编辑)Keith Pitt厚膜技术手册第二版。Keith Pitt Ed.Electrochemical Publications Limited,2005年,第一章,第23页。

【2】马鲁瓦-http://www.maruwa-g.com/e/products/ceramic/ceramic-substrate-3.html

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