¿Cuánto sabes sobre placas de circuitos impresos de cerámica?

1. El desarrollo de las placas de circuitos cerámicos.

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 industryLos semiconductores de segunda generación, representados por el arseniuro de galio (GaAs) y el fosfuro de indio (InP), se utilizan principalmente en el campo de las comunicaciones para producir microondas de alto rendimiento.dispositivos de onda milimétrica y de emisión de luzEn la actualidad, la industria de la información se ha convertido en una industria de la información, en la que se han establecido las bases para la industria de la información.que dificultan el cumplimiento de los requisitos de uso de alta frecuencia, alta temperatura, alta potencia, alta eficiencia energética, resistencia a ambientes hostiles, y peso ligero y miniaturización.Los materiales semiconductores de tercera generación representados por el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN) tienen las características de una gran brecha de banda, alta tensión de ruptura crítica, alta conductividad térmica y alta velocidad de deriva de saturación del portador.y tienen amplias perspectivas de aplicación en la iluminación de semiconductores, la electrónica automotriz, las comunicaciones móviles de nueva generación (5G), la nueva energía y los vehículos de nueva energía, el transporte ferroviario de alta velocidad, la electrónica de consumo y otros campos.Se espera que las perspectivas de aplicación puedan romper el cuello de botella de la tecnología tradicional de semiconductores, complementan las tecnologías de semiconductores de primera y segunda generación y tienen un importante valor de aplicación en dispositivos optoelectrónicos, electrónica de potencia, electrónica automotriz,Aeronáutica y otros camposCon el surgimiento y la aplicación de semiconductores de tercera generación, los dispositivos semiconductores se están desarrollando gradualmente en la dirección de alta potencia, miniaturización, integración y multifunción.que también establece requisitos más exigentes para el rendimiento de los sustratos de embalajeLas placas de circuito cerámico tienen las características de alta conductividad térmica, buena resistencia al calor, bajo coeficiente de expansión térmica, alta resistencia mecánica, buen aislamiento,resistencia a la corrosión, resistencia a la radiación, etc., y se utilizan ampliamente en el embalaje de dispositivos electrónicos.

2Clasificación técnica de los circuitos cerámicos Los circuitos cerámicos incluyen sustratos cerámicos y capas de circuitos metálicos.

En el caso de los envases electrónicos, el sustrato de envasado desempeña un papel clave en la conexión de los canales de disipación de calor internos y externos,y tiene funciones tales como interconexión eléctrica y soporte mecánicoLas cerámicas tienen las ventajas de una alta conductividad térmica, buena resistencia al calor, alta resistencia mecánica y bajo coeficiente de expansión térmica.Es un material de sustrato comúnmente utilizado para el embalaje de dispositivos de semiconductores de potenciaSegún diferentes principios y procesos de preparación, los sustratos cerámicos actualmente comúnmente utilizados se pueden dividir en sustrato cerámico de película fina (TFC), sustrato cerámico de impresión gruesa (TPC),y sustrato cerámico de cobre directamente unido (DBC), sustrato cerámico de cobre directamente revestido (DPC), etc.En este artículo se analizan las propiedades físicas de los materiales de sustrato cerámico de uso común (incluido Al2O3En la actualidad, el estudio se centra en la introducción de los principios de preparación, los flujos de proceso y las características técnicas de varios sustratos cerámicos.

2.1 Placas de circuitos cerámicos de película delgada

La placa de circuito cerámico de película delgada (TFC), también conocida como circuito de película delgada, generalmente utiliza un proceso de pulverización para depositar directamente una capa metálica en la superficie del sustrato cerámico,y utiliza fotolitografía, desarrollo, grabado y otros procesos para moldear la capa de metal en circuitos... Debido a que el TFC utiliza fotoresistentes de alta precisión como el material fotoresistente,combinado con tecnología de fotolitografía y grabado, la característica distintiva de TFC es la alta precisión de patrón, como el ancho de línea / ancho de hendidura inferior a 10 μm.con una capacidad de transmisión superior a 50 W,Tiene una amplia gama de parámetros de componentes, alta precisión y buenas características de temperatura y frecuencia. Puede trabajar en la banda de ondas milimétricas y tiene un alto nivel de integración.Debido a su pequeño tamaño, el producto se utiliza principalmente en dispositivos de corriente pequeña en el campo de las comunicaciones.el propio TFC es de pequeño tamaño y tiene una alta densidad de componentesPor lo tanto, existen requisitos de precisión y consistencia muy altos para el diseño de circuitos, el patrón de sustrato y película.

2.2 Placas de circuitos cerámicos de película gruesa

El sustrato TPC puede prepararse recubrindo el estiércol metálico sobre el sustrato cerámico mediante serigrafía, secado y sinterización a alta temperatura.Dependiendo de la viscosidad del estiércol metálico y del tamaño de la malla de la pantalla, el espesor de la capa de circuito metálico preparado es generalmente de 10 μm ~ 20 μm. Debido a las limitaciones del proceso de serigrafía,Los sustratos TPC no pueden obtener líneas de alta precisión (el ancho mínimo de línea/el espaciamiento entre líneas es generalmente superior a 100 μm)Además, con el fin de reducir la temperatura de sinterización y mejorar la resistencia de unión entre la capa metálica y el sustrato cerámico,una pequeña cantidad de fase de vidrio se añade generalmente al estiércol metálico, lo que reducirá la conductividad eléctrica y térmica de la capa metálica.Los sustratos de TPC solo se utilizan en el embalaje de dispositivos electrónicos (como la electrónica automotriz) que no tienen altos requisitos de precisión del circuito..

2.3 Enlace directo al sustrato cerámico

Para preparar el sustrato cerámico DBC, primero se introduce el elemento oxígeno entre la lámina de cobre (Cu) y el sustrato cerámico (Al2O3 o AN),y luego se forma la fase eutéctica CuO a unos 1065°C (el punto de fusión del cobre metálico es 1083°C)La película y la lámina de cobre reaccionan para generar CuAlO2 o Cu(AO2) 2, logrando un enlace eutéctico entre la lámina de cobre y la cerámica.Porque la cerámica y el cobre tienen buena conductividad térmica, y la fuerza de unión eutéctica entre la lámina de cobre y la cerámica es alta, el sustrato DBC tiene una alta estabilidad térmica y se ha utilizado ampliamente en diodos bipolares aislados (GBT),Los láseres (LD) y los fotovoltaicos enfocados (CPV) y otros dispositivos se están empaquetando para disipar el calorLa lámina de cobre de sustrato DBC tiene un grosor grande (generalmente 100μm-600μm), que puede satisfacer las necesidades de aplicaciones de envasado de dispositivos en entornos extremos como altas temperaturas y alta corriente.Aunque los sustratos DBC tienen muchas ventajas en aplicaciones prácticas, la temperatura eutéctica y el contenido de oxígeno deben controlarse estrictamente durante el proceso de preparación, lo que requiere un equipo y un control de proceso altos, y el costo de producción también es alto.Además, debido a la limitación del grabado de cobre grueso, es imposible preparar una capa de circuito de alta precisión.El tiempo de oxidación y la temperatura de oxidación son los dos parámetros más importantes.. Después de que la lámina de cobre está preoxidada, la interfaz de unión puede formar suficiente fase CuxOy para humedecer la cerámica Al2O3 y la lámina de cobre, y tiene una alta resistencia a la unión;si la lámina de cobre no está preoxidada, la humedecibilidad de CuxOy es pobre, y la interfaz de unión será Un gran número de huecos y defectos permanecen, reduciendo la fuerza de unión y la conductividad térmica.Para la preparación de sustratos DBC con cerámica AlN, el sustrato cerámico debe ser preoxidado para formar primero una película de Al2O3, y luego reaccionar con la lámina de cobre para producir una reacción eutéctica.Xie Jianjun y otros utilizaron la tecnología DBC para preparar sustratos cerámicos Cu/Al2O3 y Cu/AlNLa fuerza de unión entre la lámina de cobre y la cerámica AlN superó los 8 N/mm. Entre la lámina de cobre y la AlN había una capa de transición de 2 μm de espesor.Sus componentes eran principalmente Al2O3 y CuAlO2Y el Cu2O.

2.4 Galvanizado directo de sustratos cerámicos

El proceso de preparación del sustrato cerámico DPC es el siguiente: en primer lugar, se utiliza un láser para preparar a través de agujeros en el sustrato cerámico (las aberturas son generalmente de 60 μm ~ 120 μm),y luego las ondas ultrasónicas se utilizan para limpiar el sustrato cerámico; se utiliza la tecnología de pulverización por magnetrones para depositar una capa de semilla metálica en la superficie del sustrato cerámico (Ti/ Cu),Luego completar la producción de la capa de circuito a través de la fotolitografía y el desarrollo; utilizar galvanoplastia para llenar los agujeros y espesar la capa de circuito metálico, y mejorar la solderabilidad y la resistencia a la oxidación del sustrato mediante tratamiento de superficie,y finalmente quitar la película seca y grabar la capa de semilla para completar la preparación del sustratoEl extremo delantero de la preparación del sustrato cerámico DPC utiliza tecnología de microprocesamiento de semiconductores (revestimiento por pulverización, fotolitografía, desarrollo, etc.),y la parte posterior utiliza la tecnología de preparación de placas de circuito impreso (PCB) (graphic plating)Las características específicas incluyen: (1) El uso de la tecnología de micro mecanizado de semiconductores,los circuitos metálicos en el sustrato cerámico son más finos (el ancho de línea/el espacio entre líneas puede ser tan bajo como 30μm~50μm, en relación con el grosor de la capa del circuito), por lo que el sustrato DPC es muy adecuado para aplicaciones con requisitos de precisión de alineación más altos.(2) Utilizando la perforación láser y la tecnología de relleno de agujeros de galvanizado para lograr la interconexión vertical en la superficie superior/inferior del sustrato cerámico, puede lograrse un embalaje tridimensional e integración de dispositivos electrónicos, y el volumen del dispositivo puede reducirse;(3) El crecimiento de electroplataje se utiliza para controlar el grosor de la capa del circuito (generalmente 10μm~100μm), y la rugosidad superficial de la capa del circuito se reduce mediante molienda para satisfacer los requisitos de embalaje de los dispositivos de alta temperatura y alta corriente;(4) El proceso de preparación a baja temperatura (por debajo de 300°C) evita daños a altas temperaturas en los materiales del sustrato y las capas de circuito metálico se ven afectadas negativamente.En resumen, el sustrato DPC tiene las características de una alta precisión de patrón e interconexión vertical, y es una verdadera placa de circuito cerámico.La fuerza de unión entre la capa de circuito metálico y el sustrato cerámico es la clave para afectar la fiabilidad del sustrato cerámico DPCDebido a la gran diferencia en el coeficiente de expansión térmica entre el metal y la cerámica, con el fin de reducir la tensión de la interfaz,es necesario añadir una capa de transición entre la capa de cobre y la cerámicaLa fuerza de unión entre la capa de transición y la cerámica se basa principalmente en la adhesión por difusión y la unión química.metales con mayor actividad y buena difusividad como el Ti, Cr y Ni a menudo se seleccionan como la capa de transición.

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