_氮化铝基大功率混合电路厚膜材料

摘要

40多年来,设计和制造传统混合电路的首选基板一直是氧化铝。提供正确操作电路所需的机械强度、电阻率和热性能。但是,在过去几年中,戴尔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,这些电路配置比以前的设计产生了更多的功率,产生了更多的热量。为此,必须使用热传导性高的基板,正确管理传热和热量,以保持终端设备的最佳性能和功能。氮化铝显示的热性能为设计工程师提供了可靠的替代现有氧化铝的方法。

在创造新的激动人心的可能性的同时,氮化铝的使用给厚膜供应商和电路制造商带来了一系列其他挑战。由于热膨胀不平衡和塑料过程中影响粘合力的基板化学变化,以前适合氧化铝的厚膜浆料一般与氮化铝不兼容。为了克服这些挑战和高功率、高可靠性电路应用程序的性能要求,霍莉开发了符合RoHS和REACH标准的新型厚膜浆料。此外,还开发了与电阻浆料兼容的玻璃釉。本文介绍了这种厚膜材料及其稳定性测试前后的主要性能。其中包括导体粘合力、阻力值和相应的TCR。

关键词

附着力,氮化铝,可靠性,电阻,厚膜,TCR

一、 导言

厚膜混合电路技术随着基板和零部件集成出现了近60年[1]。厚膜与普通铜涂层板相比,在更小的封装中提供相似或更好的性能,并且散热更好。传统上用于混合电路印刷的基板是氧化铝。成功地满足了大部分功能操作要求,如体积电阻、高温稳定性、低表面粗糙度、可接受的热导率、导体、电阻器、电介质以及与用于制造玻璃釉的各种材料(玻璃、金属氧化物和贵金属)的兼容性。此外,它还提供了一个宽大的处理窗口,以最大限度地减少厚胶片的性能变化。但是,市场不断要求小型设备耗散,需要更高的功率密度和更好的热量来提高设备性能。为了使这些设备有效,导热系数必须高于氧化铝基板。为了满足这一要求,使用了导热性能更高的氮化铝基板。如表1 [2]所示,根据制造商的不同,氮化铝的热导率可能比氧化铝高7.5 ~ 10倍,并且可以在同一工艺窗口内保持类似的功能特性。

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表1:氧化铝和氮化铝陶瓷基板的性能比较

因此,在电力电子和电力LED封装中,氮化铝似乎是比氧化铝更好的选择。但是氮化铝还具有其他固有特性,因此在厚膜供应商,特别是粘合力方面面临困难。氮化铝的热膨胀系数远低于氧化铝。厚膜电路常用的氧化铝占96%,其余主要为玻璃相,厚膜浆料的玻璃和氧化铝96字的玻璃烧结时形成接合,可以获得良好的附着力,但由于AlN表面没有这种玻璃相,所以一般氧化铝96字使用的浆料不能用于AlN。此外,热膨胀不一致会导致零件烘烤后弯曲或开裂。氮化铝在700以上的温度下也会氧化,一般用于氧化铝的许多玻璃都会加速氧化并强化,产生游离氮,破坏薄膜,起泡,直接影响粘合力、导电性和电学性能。霍里先生开发了一系列厚膜浆料产品,使氮化铝能够制造混合电路。我们将讨论各种多层混合电路,重点介绍几种导体(银、银、银、银、铜、金)和两种电阻高、玻璃釉。对于导体,详细介绍了包括150老化附着力和85/85% RH(相对湿度)在内的初始附着力和长期可靠性测试后附着力等几个主要性能特性。对金导体进行相同的测试。但是附着力是以金线结合为基础的。对于电阻浆料,不管是否使用釉料,在可靠性测试后测量电阻变化和电阻温度系数(TCR)。

二、加工厚膜导体(银、银钯)

在2’x2 ‘的Maruwa氮化铝(AlN-170)基板上打印了CL80-11157(Ag)、C2360(6:1 Ag/Pd)导体浆料。在两个部件上进行了初始和再燃烧的粘合力试验。其余10个部件将用于可靠性测试。其中5个用于150老化,5个用于85/85% RH实验。

白银采用70硬度的刮刀,通过失业镜为1.3 mil的280目/0.5 mil的乳胶膜不锈钢丝网。打印后,将零件平整10分钟,放在150的箱炉上10分钟,使浆料完全干燥。在烧结路停留10分钟的850峰值温度。

图1示出了各导体烧结微结构的SEM图像。导体内的玻璃/金属氧化物在导体和基板之间的界面上形成结晶度,从而产生对粘合至关重要的机械粘合。CL80-11157(1a)和C2360(1b)在结晶的微观结构上非常相似。因为导体具有相似的玻璃和金属氧化物化学性质。

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图1:氮化铝厚膜导体的截面

为了准备用于粘合力测试的样品(图2),将锡铅室焊接到每个烧结样品的80 x 80 mil导体焊接板上。样品在250浸泡Alpha 615 RMA助焊剂,在无铅SAC305(Sn96.5/Ag3.0/Cu-0.5)焊剂中加入5秒钟。焊接后引线以90度角弯曲。使用Zwick/Roell Z2.5剥离测试仪去除电线并测量附着力。

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图2:使用alpha 615 RMA焊料在250下通过SAC305焊料将导体和电线连接到导体焊接板的可焊性测试

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应用。塑料薄膜厚度和电阻率的测量基于先前概述的加工条件。

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表2:导体浆料特性

图3显示了初始和重复烧结的粘合力结果。在大多数应用程序中,大于4.0磅的初始附着力值被认为是可接受的。不出所料,再次烧结后附着力下降。导体内玻璃成分的回流、玻璃/金属氧化物与金属颗粒反应方式的变化和/或与氮化铝基板氧化有关的化学反应等多种因素可能导致。一般来说,重新烧结后可以接受大于3.0磅的附着力。除了CL80-11157(Ag)略低外,C2360超过了3.0磅的附着力目标。表3和表4分别显示了150老化和85/85%相对湿度可靠性测试结果。

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图3:导体粘合力(初始和三次重复烧结)

150老化结果(表3)表明CL80-11157(Ag)、C2360(Ag/Pd)导体的初始(1x烧结)附着力在1000小时后为4.0磅。老化后,CL80-11157(Ag)对单个烧结样品的附着力基本不变,但三次烧结样品的附着力增加。

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表3:导体150老化后的粘合力(lbs)。)

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表4:导体85/85% RH老化后的粘合力(lbs)。)

85/85%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。再次,我们注意到多次烧结后的附着力在双85试验后有所下降。

四、 金导体加工

在2 “X2 “的Maruwa氮化铝(AlN-170)基板上打印一层C5730金导体。印刷、干燥和发射实验条件与前面讨论的导体相同。燃烧后,使用1.25密室测量两个样品(30次人发样品)中第一次燃烧、第三次再燃烧、第五次再燃烧的金导体附着力。图4显示了金的微观结构和引线结合。发射导体的横截面显示为4a。以与之前导体(图1)大致相同的方式,在界面上形成玻璃层,形成机械结合,有助于提高附着力值。图4b示出了完整的导线接合,而4c和4d示出了4b所示的楔状和球形接合的高比例视图。粘合层干净,没有裂缝或分层的痕迹。还对1x、3x、5x燃烧后两个样品进行了附着力测试,在150和85老化,在0、48、100、250、500、1000小时内进行了85%相对湿度测试

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图4: C 5730金导体在氮化铝上与金线结合的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温度下测量6R杯、SC4-14号轴、10rpm。在12m的标准化厚度下,固体含量为84-87%,电阻率为5.5mo/平方。附着力结果如图5和图6所示。一般建议金线粘合力12g,界面断裂。如图5所示,初始和再烧结后的附着力没有统计差异。中央值保持不变。

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图5:初始和重新烧结后1.25轧机线材键合界面示意图

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图6:可靠性测试后C5730初始和重复烧结导体的钢丝张力结果

图6显示了由于150老化、85/85% RH和-55-150热循环可靠性研究而产生的导线粘合力。结果显示,初期,3次再热和5次再燃烧之间的附着力没有太大差异。另外,老化1000小时后,1000小时85/85% RH和1000次热循环后的值实际上大于初始附着力。数字范围为14-17克,远远高于12克的目标值。

六、 电阻器加工

最初为氧化铝开发的两种无铅电阻浆料与氮化铝兼容良好。R2211是10/电阻浆料,R2221是/电阻浆料。印刷、干燥和发射条件与上述导体浆料相同。电阻器已印在具有C2360(银/钯)导体的样品上。两个样品分别用于三次再热和五次再燃烧试验。6个样品用于可靠性测试。两个样品用于150老化,两个样品用于85/85% RH,两个用于热循环(-55-150)测试。

另外,6个样品印制了玻璃釉(IP9002)。IP9002通过200网眼网印使用70硬度计刮刀,钢丝直径为1.6密,乳胶厚度为0.5密。干燥后在600下烘烤,在峰值温度下停留5分钟。对这些样品进行可靠性测试的方式与无釉样品相同。在无釉和无釉的各条件下,测定电阻变化和TCR和-TCR。

七、电阻器/印刷特性和性能评估

表5列出了R2211和R2221电阻器的特性。

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表5:电阻器打印后的情况

表6和表7显示了R2211和R2221电阻器多次烧结后使用IP9002釉后的电阻变化。不出所料,抵抗随着多次烧结而减少。我们还观察到,上釉印刷后,电阻变化是可预测的和可重现的。

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表6:电阻多次再燃烧变化

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表7:电阻有玻璃釉的变化

表8-10显示了150老化、85/85% RH和-55-150热循环可靠性测试后R2211和R2221以及IP9002釉的电阻变化。在150和85/85% RH下,1000小时后,有釉的电阻变化不到5%,这在10%的一般行业标准范围内。同样,500次热循环后的变化在目标限度内。

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表8:电阻变化(150老化)

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表9:电阻变化(85/85%相对湿度)

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表10:电阻变化(TC:-55-150)

表11-12显示了150老化和85/85% RH(含或不含IP9002釉)后的TCR值。热TCR测量在125进行,冷TCR测量在-55进行。在老化研究中使用玻璃釉时,两种电阻器的热TCR和冷TCR变化很小。在85/85% RH研究中,有釉层时TCR变化较大(表12)。

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表11:高温和冷空气TCR(150老化)

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表12:高温和冷空气TCR(85/85%相对湿度)

八、结论

霍利开发了适用于氮化铝基板的RoHS和REACH兼容无铅厚膜浆料,包括银/钯、金导体和两种与玻璃釉兼容的电阻浆料。提供的数据清楚地表明,这些产品的性能特性与为氧化铝基板设计的传统厚膜浆料相似。对于大多数导体,在可靠性测试前后测量的附着力值满足标准工业厚膜要求。与导体非常相似,10欧姆和100欧姆电阻器产生良好的性能结果。这包括可重复的稳定阻力值、良好的再塑性和稳定性测试后(不管是否有玻璃釉)可预测的TCR值。

目前霍利先生开发的用于AlN基板的材料如下表所示。

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因此,该系列为需要使用氮化铝改善热量的应用程序提供了理想的解决方案。这解决了行业对高密度汽车混合动力车、加热器组件和LED照明的需求,以及更多电力电子产品的应用。

参考文献

[1] R.G. Loasby和P.J.Holmes《厚膜技术的发展(字体、书名和编辑)Keith Pitt》,《厚膜技术手册》第二版。Keith Pitt ed。electro chemical publications limited,2005年,第1章,第23页。

[2]地板和-http://www . maruwa-g . com/e/products/ceramic/ceramic-substrate-3 . html

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