Quanto ne sai di circuiti stampati in ceramica?

1. Il contesto di sviluppo delle schede di circuiti ceramici.

The first-generation semiconductor technology represented by silicon (Si) and germanium (Ge) materials is mainly used in the field of data computing and lays the foundation for the microelectronics industryI semiconduttori di seconda generazione, rappresentati dall'arsenuro di gallio (GaAs) e dal fosfuro di indio (InP), sono utilizzati principalmente nel campo delle comunicazioni per produrre microonde ad alte prestazioni.dispositivi di onda millimetrica e di emissione luminosa, che ha gettato le basi per l'industria dell'informazione.che rendono difficile soddisfare i requisiti di utilizzo di alta frequenza, alta temperatura, alta potenza, elevata efficienza energetica, resistenza agli ambienti difficili, e leggerezza e miniaturizzazione.I materiali semiconduttori di terza generazione rappresentati dal carburo di silicio (SiC) e dal nitruro di gallio (GaN) hanno le caratteristiche di un grande intervallo di banda, elevata tensione critica di rottura, elevata conduttività termica e elevata velocità di deriva di saturazione del vettore.e hanno ampie prospettive di applicazione nell'illuminazione a semiconduttori, l'elettronica automobilistica, le comunicazioni mobili di nuova generazione (5G), le nuove energie e i veicoli a nuova energia, il trasporto ferroviario ad alta velocità, l'elettronica di consumo e altri settori.Le prospettive di applicazione dovrebbero superare il collo di bottiglia della tecnologia tradizionale dei semiconduttori, complementano le tecnologie dei semiconduttori di prima e seconda generazione e hanno un importante valore applicativo nei dispositivi optoelettronici, nell'elettronica di potenza, nell'elettronica automobilistica,Aerospaziale e altri settoriCon l'aumento e l'applicazione dei semiconduttori di terza generazione, i dispositivi semiconduttori si stanno gradualmente sviluppando nella direzione dell'alta potenza, della miniaturizzazione, dell'integrazione e della multifunzione.che stabilisce anche requisiti più elevati per le prestazioni dei substrati di imballaggioI circuiti ceramici presentano le caratteristiche di elevata conduttività termica, buona resistenza al calore, basso coefficiente di espansione termica, elevata resistenza meccanica, buon isolamento,resistenza alla corrosione, resistenza alle radiazioni, ecc., e sono ampiamente utilizzati negli imballaggi di dispositivi elettronici.

2Classificazione tecnica dei circuiti ceramici I circuiti ceramici comprendono substrati di ceramica e strati di circuiti metallici.

Per gli imballaggi elettronici, il substrato di imballaggio svolge un ruolo chiave nel collegare il precedente e il successivo, collegando i canali di dissipazione del calore interni ed esterni,e ha funzioni quali interconnessione elettrica e supporto meccanicoLe ceramiche hanno i vantaggi di elevata conduttività termica, buona resistenza al calore, elevata resistenza meccanica e basso coefficiente di espansione termica.È un materiale di substrato comunemente utilizzato per l'imballaggio di dispositivi semiconduttori di potenzaIn base ai diversi principi e processi di preparazione, i substrati ceramici attualmente comunemente utilizzati possono essere suddivisi in substrato ceramico a pellicola sottile (TFC), substrato ceramico a stampa spessa (TPC),e Substrato ceramico di rame direttamente legato (DBC), Substrato ceramico di rame direttamente placcato (DPC), ecc.Questo articolo analizza le proprietà fisiche dei materiali di substrato ceramici comunemente utilizzati (compreso l'Al2O3, AlN, Si3N4, BeO, SiC e BN, ecc.), concentrandosi sull'introduzione dei principi di preparazione, dei flussi di processo e delle caratteristiche tecniche di vari substrati ceramici.

2.1Quadri circolatori in ceramica a pellicola sottile

La scheda di circuito ceramico a pellicola sottile (TFC), nota anche come circuito a pellicola sottile, utilizza generalmente un processo di sputtering per depositare direttamente uno strato metallico sulla superficie del substrato ceramico,e utilizza la fotolitografia, sviluppo, incisione e altri processi per modellare lo strato metallico in circuiti... Poiché il TFC utilizza fotoresisti di alta precisione come materiale fotoresistico,combinato con fotolitografia e tecnologia di incisione, la caratteristica distintiva del TFC è l'elevata precisione dei modelli, come la larghezza della linea/larghezza della fessura inferiore a 10 μm.con una tensione di potenza non superiore a 50 kVA. Ha una vasta gamma di parametri dei componenti, alta precisione e buone caratteristiche di temperatura e frequenza. Può funzionare nella banda delle onde millimetriche e ha un elevato livello di integrazione.A causa delle sue piccole dimensioni, il prodotto è utilizzato principalmente nei dispositivi a bassa corrente nel campo delle comunicazioni.il TFC stesso è di piccole dimensioni e ha un'elevata densità di componentiPertanto, sono richiesti requisiti di precisione e consistenza molto elevati per la progettazione dei circuiti, il disegno dei substrati e delle pellicole.

2.2 Circuito circolare in ceramica a pellicola spessa

Il substrato TPC può essere preparato rivestendo lo slurry metallico sul substrato ceramico mediante serigrafia, asciugatura e sinterizzazione ad alta temperatura.A seconda della viscosità dello slurry metallico e delle dimensioni della maglia, lo spessore dello strato di circuito metallico preparato è generalmente di 10 μm ~ 20 μm. A causa dei limiti del processo di serigrafia,I substrati TPC non possono ottenere linee ad alta precisione (la larghezza minima delle linee/l'intervallo tra le linee è generalmente superiore a 100 μm)Inoltre, per abbassare la temperatura di sinterizzazione e migliorare la resistenza di legame tra lo strato metallico e il substrato ceramico,una piccola quantità di fase di vetro viene generalmente aggiunta allo slurry metallico, che ridurrà la conduttività elettrica e termica dello strato metallico.I substrati TPC sono utilizzati solo nell'imballaggio di dispositivi elettronici (come l'elettronica automobilistica) che non hanno elevati requisiti di precisione del circuito.

2.3 Legatura diretta al substrato ceramico

Per preparare il substrato ceramico DBC, viene introdotto prima l'elemento ossigeno tra il foglio di rame (Cu) e il substrato ceramico (Al2O3 o AN),e quindi la fase eutectica del CuO si forma a circa 1065°C (il punto di fusione del rame metallico è 1083°C)La pellicola e il foglio di rame reagiscono per generare CuAlO2 o Cu(AO2) 2, ottenendo un legame eutectico tra il foglio di rame e la ceramica.Perché la ceramica e il rame hanno una buona conduttività termica, e la forza di legame eutectico tra foglio di rame e ceramica è elevata, il substrato DBC ha un'elevata stabilità termica ed è stato ampiamente utilizzato nei diodi bipolari isolati (GBT),laser (LD) e fotovoltaica focalizzata (CPV) e altri dispositivi sono in fase di confezionamento per la dissipazione del calore. La lamina di rame del substrato DBC ha uno spessore elevato (generalmente 100μm-600μm), che può soddisfare le esigenze delle applicazioni di imballaggio dei dispositivi in ambienti estremi come alte temperature e alta corrente.Sebbene i substrati DBC abbiano molti vantaggi nelle applicazioni pratiche, la temperatura eutettica e il contenuto di ossigeno devono essere rigorosamente controllati durante il processo di preparazione, che richiede attrezzature elevate e un controllo del processo, e il costo di produzione è anche elevato.Inoltre, a causa della limitazione dell'incisione in rame spessa, è impossibile preparare uno strato di circuito ad alta precisione.tempo di ossidazione e temperatura di ossidazione sono i due parametri più importantiDopo che il foglio di rame è stato preossidato, l'interfaccia di legame può formare abbastanza fase CuxOy per bagnare la ceramica Al2O3 e il foglio di rame, e ha un'elevata resistenza all'incollaggio;se il foglio di rame non è preossidato, la bagnabilità del CuxOy è scarsa e l'interfaccia di legame sarà un gran numero di vuoti e difetti rimangono, riducendo la resistenza del legame e la conduttività termica.per la preparazione di substrati DBC utilizzando ceramiche AlN, il substrato ceramico deve essere pre-ossidato per formare prima un film Al2O3, e quindi reagire con il foglio di rame per produrre una reazione eutetica.Xie Jianjun e altri hanno utilizzato la tecnologia DBC per preparare substrati ceramici Cu/Al2O3 e Cu/AlNLa resistenza di legame tra foglio di rame e ceramica AlN superava 8N/mm. Tra il foglio di rame e AlN esisteva uno strato di transizione di spessore di 2 μm.I suoi componenti erano principalmente Al2O3 e CuAlO2- E il Cu2O.

2.4 Galvanizzazione diretta di substrati ceramici

Il processo di preparazione del substrato ceramico DPC è il seguente: in primo luogo, viene utilizzato un laser per preparare attraverso fori sul substrato ceramico (le aperture sono generalmente di 60 μm ~ 120 μm),e poi le onde ultrasoniche vengono utilizzate per pulire il substrato ceramicoLa tecnologia di sputtering magnetron viene utilizzata per depositare uno strato di semi metallici sulla superficie del substrato ceramico (Ti/ Cu),poi completare la produzione di strati di circuito attraverso fotolitografia e sviluppo■ utilizzare la galvanoplastica per riempire i fori e ispessire lo strato del circuito metallico, e migliorare la solderabilità e la resistenza all'ossidazione del substrato attraverso il trattamento superficiale,e infine rimuovere la pellicola secca e incidere lo strato di semi per completare la preparazione del substratoL'estremità anteriore della preparazione del substrato ceramico DPC utilizza la tecnologia di micro-elaborazione dei semiconduttori (sputtering coating, fotolitografia, sviluppo, ecc.),e la parte posteriore utilizza la tecnologia di preparazione di circuiti stampati (PCB) (grafica)In particolare, la tecnologia di riempimento di fori, macinazione superficiale, incisione, lavorazione superficiale, ecc., presenta evidenti vantaggi tecnici.i circuiti metallici sul substrato ceramico sono più fini (la larghezza della linea/l'intervallo tra le linee può essere inferiore a 30μm~50μm, in relazione allo spessore dello strato di circuito), quindi il substrato DPC è molto adatto per applicazioni con requisiti di precisione di allineamento più elevati.(2) Utilizzando la tecnologia di perforazione laser e galvanoplastica di riempimento dei fori per ottenere l'interconnessione verticale sulla superficie superiore/inferiore del substrato ceramico, può essere realizzato l'imballaggio tridimensionale e l'integrazione dei dispositivi elettronici, e il volume dei dispositivi può essere ridotto;(3) Per controllare lo spessore dello strato di circuito (generalmente 10 μm~100 μm) si utilizza la crescita elettroplata, e la rugosità superficiale dello strato di circuito viene ridotta attraverso la macinazione per soddisfare i requisiti di imballaggio dei dispositivi ad alta temperatura e alta corrente;(4) Il processo di preparazione a bassa temperatura (sotto i 300°C) evita danni a alta temperatura ai materiali del substrato e gli strati di circuito metallici sono colpiti negativamenteIn sintesi, il substrato DPC presenta le caratteristiche di un'elevata precisione dei modelli e di una connessione verticale, ed è una vera scheda di circuiti ceramici.La resistenza al legame tra lo strato di circuito metallico e il substrato ceramico è la chiave per influenzare l'affidabilità del substrato ceramico DPCA causa della grande differenza di coefficiente di espansione termica tra il metallo e la ceramica, per ridurre lo stress di interfaccia,è necessario aggiungere uno strato di transizione tra lo strato di rame e quello ceramicoPoiché la forza di attacco tra lo strato di transizione e la ceramica si basa principalmente sull'adesione per diffusione e sul legame chimico,Metalli con maggiore attività e buona diffusività come il Ti, Cr e Ni sono spesso selezionati come strato di transizione.

Non è un problema. Non è un problema.

Dichiarazione sul diritto d'autore: Il diritto d'autore delle informazioni contenute in questo articolo appartiene all'autore originale e non rappresenta le opinioni di questa piattaforma.In caso di errori di copyright e di informazione, per favore contattaci per correggerlo o cancellarlo.