氮化鋁基大功率混合電路厚膜材料

　摘要

　　40多年來(lái)，設(shè)計(jì)和制造傳統(tǒng)混合電路的首選基板一直是氧化鋁。它提供了正確電路操作所需的機(jī)械強(qiáng)度、電阻率和熱性能。然而，在過(guò)去幾年中，我們經(jīng)歷了混合技術(shù)向具有高度復(fù)雜、密集電路配置的電子設(shè)備的轉(zhuǎn)變，這些電子設(shè)備比以前的設(shè)計(jì)產(chǎn)生更多的功率，從而產(chǎn)生更多的熱量。這需要使用具有更高導(dǎo)熱性的基板來(lái)正確管理傳熱和散熱，以保持終端設(shè)備的最佳性能和功能。氮化鋁顯示的熱性能為設(shè)計(jì)工程師提供了一種可靠的替代傳統(tǒng)氧化鋁的方法。

　　在創(chuàng)造新的令人興奮的可能性的同時(shí)，氮化鋁的使用也為厚膜供應(yīng)商和電路制造商帶來(lái)了一系列不同的挑戰(zhàn)。由于熱膨脹失配，以及在燒制過(guò)程中影響附著力的基板發(fā)生的化學(xué)變化，以前適用于氧化鋁的厚膜漿料通常與氮化鋁不相容。為了克服這一挑戰(zhàn)以及高功率、高可靠性電路應(yīng)用的性能要求，賀利氏開(kāi)發(fā)了一種符合RoHS和REACH標(biāo)準(zhǔn)的新型厚膜漿料。此外，我們還開(kāi)發(fā)了電阻漿料和兼容的玻璃釉。本文將討論上述厚膜材料及其可靠性測(cè)試前后的關(guān)鍵性能。這包括導(dǎo)體的附著力、電阻值及其TCR。

　　關(guān)鍵詞

　　附著力，氮化鋁，可靠性，電阻，厚膜，TCR

　　一、 導(dǎo)言

　　厚膜混合電路技術(shù)以一種基板和元器件集成形式出現(xiàn)了近60年【1】。與典型的覆銅線板相比，厚膜在更小的封裝中提供了類似或優(yōu)異的性能，具有更好的散熱優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)上，用于印刷混合電路的基板是氧化鋁。它成功地滿足了大多數(shù)功能操作要求：體積電阻率、高溫穩(wěn)定性、低表面粗糙度、可接受的導(dǎo)熱性，以及與用于制造導(dǎo)體、電阻器、電介質(zhì)和玻璃釉的各種材料(玻璃、金屬氧化物和貴金屬)的兼容性。此外，它提供了一個(gè)寬的處理窗口，有助于最大限度地減少厚膜的性能變化。然而，市場(chǎng)已不斷需求更高功率密度和更好熱量的小型設(shè)備耗散以提高設(shè)備性能。為了有效地制作這些設(shè)備，熱導(dǎo)率必須比氧化鋁基板所能提供的還要高。為了滿足這一要求，更具導(dǎo)熱性的氮化鋁基板得到使用。如表1【2】所示，根據(jù)制造商的不同，氮化鋁的熱導(dǎo)率可以比氧化鋁高7.5到10倍，同時(shí)在相同的工藝窗口內(nèi)仍保持類似的功能特性。

　　表1：氧化鋁和氮化鋁陶瓷基板的性能比較

　　出于上述原因，在電力電子和功率LED封裝中，氮化鋁似乎是比氧化鋁更好的選擇。然而，氮化鋁還具有其他固有特性，這給厚膜供應(yīng)商帶來(lái)了挑戰(zhàn)，尤其是在附著力方面。氮化鋁的熱膨脹系數(shù)比氧化鋁低得多。厚膜電路常用的氧化鋁為96%，其余主要為玻璃相，厚膜漿料中的玻璃和氧化鋁96瓷中的玻璃相在燒結(jié)時(shí)形成鍵接，從而達(dá)到很好的附著力，但AlN表面卻沒(méi)有這些玻璃相，所以常規(guī)的用于氧化鋁96瓷的漿料無(wú)法用于AlN上，且因?yàn)闊崤蛎洸黄ヅ淇赡軐?dǎo)致零件燒制后彎曲和/或開(kāi)裂。氮化鋁在高于700°C的溫度下也會(huì)氧化，通常用于氧化鋁的許多玻璃會(huì)加速和增強(qiáng)氧化，產(chǎn)生游離氮，從而破壞薄膜，導(dǎo)致起泡，從而直接影響附著力以及導(dǎo)電性和電氣性能。賀利氏通過(guò)開(kāi)發(fā)一系列厚膜漿料產(chǎn)品允許在氮化鋁上構(gòu)建混合電路。我們將討論各種多層混合電路，重點(diǎn)介紹幾種導(dǎo)體(銀、銀鈀、銀鉑、銅和金)以及兩種電阻膏，玻璃釉。對(duì)于導(dǎo)體，我們將詳細(xì)說(shuō)明幾個(gè)關(guān)鍵性能特性，如初始附著力和長(zhǎng)期可靠性測(cè)試后的附著力，包括150°C老化附著力和85°C/85%RH(相對(duì)濕度)。將對(duì)金導(dǎo)體進(jìn)行相同的測(cè)試;然而，附著力將基于金絲鍵合。對(duì)于電阻漿料，我們將在進(jìn)行可靠性測(cè)試后測(cè)量電阻變化和TCR(電阻溫度系數(shù))，無(wú)論是否使用上釉。

　　二、加工厚膜導(dǎo)體（銀、銀鈀）

　　在2"x2"的Maruwa氮化鋁(AlN-170)基板上印制了以下導(dǎo)體漿料：CL80-11157(Ag)、C2360(6:1 Ag/Pd)。在兩個(gè)零件上進(jìn)行了初始和重新燃燒的附著力試驗(yàn)。其余10個(gè)零件用于可靠性測(cè)試。其中5個(gè)用于150°C老化，5個(gè)用于85°C/85%RH試驗(yàn)。

　　對(duì)于銀、銀鈀的導(dǎo)線通過(guò)線徑為1.3 mil的280目/0.5 mil的乳膠膜不銹鋼絲網(wǎng)，使用70硬度的刮板。印刷后，將零件流平10分鐘并放置在150°C的箱式爐中10分鐘，以確保漿料完全干燥。在燒結(jié)爐中停留10分鐘的850°C峰值溫度。

　　圖1顯示了每個(gè)導(dǎo)體的燒結(jié)微觀結(jié)構(gòu)的SEM圖像。導(dǎo)體內(nèi)的玻璃/金屬氧化物在導(dǎo)體和基板之間的界面處形成了一層結(jié)晶，這會(huì)產(chǎn)生一種對(duì)粘合至關(guān)重要的機(jī)械粘合。CL80-11157(1a) 和 C2360(1b)，結(jié)晶的的微觀結(jié)構(gòu)非常相似。這是因?yàn)閷?dǎo)體具有類似的玻璃和金屬氧化物化學(xué)性質(zhì)。

　　圖1：氮化鋁厚膜導(dǎo)體的截面

　　為了準(zhǔn)備用于附著力測(cè)試的樣品(圖2)，將錫鉛絲焊接到每個(gè)已燒結(jié)的樣品上的80 x 80 mil導(dǎo)體焊盤上。樣品在250°C下浸入Alpha 615 RMA助焊劑并放入無(wú)鉛SAC305(Sn96.5/Ag3.0/Cu-0.5)焊料中5秒鐘。焊接后，引線彎曲成90度角。使用Zwick/Roell Z2.5剝離測(cè)試儀，移除電線并測(cè)量附著力。

　　圖2：使用Alpha 615 RMA助焊劑在250°C下通過(guò)SAC305焊料對(duì)導(dǎo)體和導(dǎo)線連接至導(dǎo)體焊盤的可焊性測(cè)試

　　三、附著力性能評(píng)估

　　表2列出了各導(dǎo)體的特性。漿料的粘度和流變性適合絲網(wǎng)印刷應(yīng)用。燒成膜厚度和電阻率測(cè)量基于之前概述的加工條件。

　　表2：導(dǎo)體漿料特性

　　圖3顯示了初始和重復(fù)燒結(jié)的附著力結(jié)果。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，大于4.0磅的初始附著力值被認(rèn)為是可以接受的。正如預(yù)期的那樣，再次燒結(jié)后附著力降低。這可歸因于多種因素：導(dǎo)體內(nèi)玻璃成分的回流、玻璃/金屬氧化物與金屬顆粒反應(yīng)方式的變化和/或與氮化鋁基板氧化相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)。通常，再次燒結(jié)后，可以接受大于3.0磅的附著力。除CL80-11157(Ag)略低于外，C2360超過(guò)了3.0磅的附著力目標(biāo)。表3和表4分別說(shuō)明了150°C老化和85°C/85%相對(duì)濕度可靠性試驗(yàn)的結(jié)果。

　　圖3：導(dǎo)體附著力(初始與3次重復(fù)燒結(jié))

　　150°C老化結(jié)果(表3)表明CL80-11157(Ag)、C2360(Ag/Pd)導(dǎo)體的初始(1x燒結(jié))附著力在1000小時(shí)后>4.0磅。老化后，CL80-11157(Ag)對(duì)于單次燒結(jié)的樣品附著力幾乎不變，但對(duì)于3次燒結(jié)的樣品，附著力是增加的。

　　表3：導(dǎo)體150°C老化后附著力(lbs.)

　　表4：導(dǎo)體85°C/85%RH老化后附著力(lbs.)

　　85°C/85%相對(duì)濕度研究的結(jié)果(表4)表明，所有導(dǎo)線的初始(1x燃燒)附著力均超過(guò)了4.0磅的目標(biāo)值。再次，我們注意到多次燒結(jié)后的附著力在雙85試驗(yàn)后有所降低。

　　四、 金導(dǎo)體加工

　　在2“x2”的Maruwa氮化鋁(AlN-170)基板上印制一層C5730金導(dǎo)體。印刷、干燥和燒制試驗(yàn)條件與前面討論的導(dǎo)體相同。燒成后，使用1.25密耳金絲，在2個(gè)樣品(30次拉拔樣品)上測(cè)量初次燒成、3次再燒成和5次再燒成的金導(dǎo)體附著力。圖4顯示了金的微觀結(jié)構(gòu)和引線鍵合。燒制導(dǎo)體的橫截面用4a表示。與之前的導(dǎo)體(圖1)的方式大致相同，在界面處形成了一層玻璃層，形成了一種機(jī)械結(jié)合，有助于提高附著力值。圖4b顯示了完整的導(dǎo)線鍵合，而4c和4d顯示了4b中所示楔形鍵合和球形鍵合的高倍視圖。粘結(jié)層干凈，無(wú)開(kāi)裂或分層跡象。在1x、3x、5x燃燒后，還對(duì)兩個(gè)樣品進(jìn)行了附著力測(cè)試，以進(jìn)行以下可靠性測(cè)試：在150°C和85°C下老化，在0、48、100、250、500和1000小時(shí)下進(jìn)行85%相對(duì)濕度測(cè)試。

　　圖4：C5730金導(dǎo)體在氮化鋁上和金線鍵合的SEM照片。

　　金導(dǎo)體屬性/性能評(píng)估

　　C5730金導(dǎo)體的粘度為280–380 Pa-s，使用Brookfield HBT粘度計(jì)在25°C溫度下使用6R杯，SC4-14號(hào)軸，在10rpm下測(cè)量。在12μm的標(biāo)準(zhǔn)化厚度下，固體含量為84–87%，電阻率<5.5毫歐/平方。附著力結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6。通常，金線粘結(jié)附著力>12克，界面斷線是可取的。正如我們?cè)趫D5中所看到的，初始和再燒結(jié)后的附著力沒(méi)有統(tǒng)計(jì)差異。中值保持不變。

　　圖5：初始和重新燒結(jié)后的1.25密耳金絲鍵合界面圖

　　圖6：可靠性測(cè)試后C5730初始和重復(fù)燒結(jié)導(dǎo)體上的金絲拉力結(jié)果

　　圖6顯示了150°C老化、85°C/85%RH和-55–150°C熱循環(huán)可靠性研究產(chǎn)生的導(dǎo)線粘結(jié)附著力。結(jié)果表明，初始、3次再燒和5次再燒之間的附著力沒(méi)有顯著差異。此外，1000小時(shí)老化后、1000小時(shí)85°C/85%RH和1000次熱循環(huán)后的值實(shí)際上大于初始附著力。數(shù)值范圍為14-17克，遠(yuǎn)高于12克的目標(biāo)值。

　　六、 電阻器加工

　　最初為氧化鋁開(kāi)發(fā)的兩種無(wú)鉛電阻漿料與氮化鋁具有良好的兼容性。R2211為10Ω/□電阻漿料，R2221為Ω/□電阻漿料。印刷、干燥和燒制條件與上述導(dǎo)體漿料相同。電阻器印刷在已有C2360(銀/鈀)導(dǎo)體的樣品上。兩個(gè)樣品分別用于3次再燒和5次再燒試驗(yàn)。六個(gè)樣品用于可靠性測(cè)試。兩個(gè)樣品用于150°C老化，兩個(gè)樣品用于85°C/85%RH，兩個(gè)用于熱循環(huán)(-55°C–150°C)測(cè)試。

　　還有六個(gè)樣品印刷了玻璃釉漿料(IP9002)。IP9002通過(guò)200目篩網(wǎng)印刷，使用70硬度計(jì)刮板，鋼絲直徑為1.6密耳，乳膠厚度為0.5密耳。干燥后，在600°C下燒制，在峰值溫度下停留5分鐘。在這些樣品上進(jìn)行可靠性測(cè)試的方式與無(wú)釉的樣品相同。在有釉和無(wú)釉的每個(gè)條件下，測(cè)量電阻變化以及+TCR和-TCR。

　　七、電阻器/印刷釉后特性和性能評(píng)估

　　表5列出了R2211和R2221電阻器的特性。

　　表5：電阻器印刷后情況

　　表6和表7列出了R2211和R2221電阻器在多次燒結(jié)后以及使用IP9002釉后的電阻變化。正如預(yù)期的那樣，電阻隨著多次燒結(jié)而降低。我們還觀察到，在印刷有釉之后，電阻變化是可預(yù)測(cè)和可再現(xiàn)的。

　　表6：電阻多次重?zé)兓?/p>

　　表7：電阻有玻璃釉的變化

　　表8-10顯示了在150°C老化、85°C/85%RH和-55°C–150°C熱循環(huán)可靠性測(cè)試后，R2211和R2221與有IP9002釉的電阻變化。在150°C和85°C/85%RH下1000小時(shí)后，有釉的電阻變化小于5%，這在10%的典型行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。同樣，500次熱循環(huán)后的變化在目標(biāo)限值內(nèi)。

　　表8：電阻變化(150°C老化)

　　表9：電阻變化(85°C/85%相對(duì)濕度)

　　表10：電阻變化(TC：-55°C–150°C)

　　表11-12顯示了150°C老化和85°C/85%RH(有或沒(méi)有IP9002釉)后的TCR值。熱TCR測(cè)量在125°C下進(jìn)行，冷TCR測(cè)量在-55°C下進(jìn)行。在老化研究中，當(dāng)用玻璃釉時(shí)，兩個(gè)電阻器的熱TCR和冷TCR變化很小。而在85°C/85%RH研究中，有釉層時(shí)TCR的變化很大(表12)。

　　表11：熱態(tài)和冷態(tài)TCR(150°C老化)

　　表12：熱態(tài)和冷態(tài)TCR(85°C/85%相對(duì)濕度)

　　八、結(jié)論

　　賀利氏已開(kāi)發(fā)出用于氮化鋁基板的符合RoHS和REACH兼容的無(wú)鉛厚膜漿料，這包括銀、銀/鈀和金導(dǎo)體，以及兩個(gè)具有兼容玻璃釉的電阻漿料。所提供的數(shù)據(jù)清楚地表明，這些產(chǎn)品的性能特征與為氧化鋁基板設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)厚膜漿料相似。對(duì)于大多數(shù)導(dǎo)體，可靠性測(cè)試前后測(cè)得的附著力值滿足標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)厚膜要求。與導(dǎo)體非常相似，10歐姆和100歐姆電阻器可產(chǎn)生良好的性能結(jié)果。這包括可重復(fù)生產(chǎn)的穩(wěn)定阻值、優(yōu)異的再燒性以及在進(jìn)行可靠性測(cè)試后(無(wú)論是否有玻璃釉)可預(yù)測(cè)的TCR值。

　　目前賀利氏開(kāi)發(fā)的用于AlN基板的材料如下表所列：

　　所以該系列產(chǎn)品為需要使用氮化鋁改善散熱的應(yīng)用提供了理想的解決方案。這解決了工業(yè)對(duì)高密度汽車混合動(dòng)力車、加熱器總成和LED照明的需求及更多功率電子產(chǎn)品的應(yīng)用。

　　參考文獻(xiàn)

　　【1】 R.G.Loasby和P.J.Holmes“厚膜技術(shù)的發(fā)展(書(shū)體，書(shū)名和編輯)Keith Pitt”，《厚膜技術(shù)手冊(cè)》第二版。Keith Pitt Ed. Electrochemical Publications Limited，2005年，第1章，第23頁(yè)。

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