陶瓷基板-高功率器件散热的核“心”

作者:兰洋科技    浏览量:4045    时间:2023年08月30日    标签: 热管理 陶瓷基板 IGBT模块

引言

电路板被很多人誉为电子产品之母,它是计算机、手机等消费电子产品的关键部件,在医疗、航空、新能源、汽车等行业有着广泛应用。纵观全球技术发展简史,每一次技术进步都直接或间接影响着全人类。在电路板诞生之前,电子设备都包含许多电线,它们不仅会纠缠在一起,占用大量空间,而且短路的情况也不罕见。这个问题对于电路相关的工作人员来说是个非常头疼的问题。1925年,来自美国的Charles Ducas提出了一个前所未有的想法,即在绝缘基板上印刷电路图案,随后进行电镀以制造用于布线的导体,专业术语“PCB”由此而来,这种方法使制造电器电路变得更为简单。

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当今世界科技飞速发展促进电子器件向集成化、微型化、高功率密度的方向发展,因此给电子器件散热带来了严峻的挑战。良好散热效果依赖于优异的散热结构设计、热界面材料、散热基板、封装制造工艺等。基板作为承载集成电路芯片的载体,与电路直接接触,电路产生的热量需要通过基板向外疏散。选择一种兼具高热导率与良好电绝缘性的基板材料成为解决当下电子器件散热问题的关键。

由于传统覆铜板由于低的热导率以及具有导电性限制了在当今高功率器件中的应用。因此开发出具有高热导率和良好的电气互连的基板材料成为了当下的研究重点方向。目前市面上的PCB从材料大类上来分主要可以分为三种:普通基板、金属基板、陶瓷基板。传统的普通基板和金属基板不能满足当下工作环境下的应用。陶瓷基板具有绝缘性能好、强度高、热膨胀系数小、优异的化学稳定性和导热性能脱颖而出,是符合当下高功率器件设备所需的性能要求。

1 介绍

陶瓷基板制备工艺流程多、流程复杂繁琐,一款导热性能优异的陶瓷基板离不开性能优异的粉体、精细的制备技术和严苛的测试。

1.1 陶瓷粉体

目前常用的高导热陶瓷粉体原料有氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)和氧化铍(BeO)等。随着国家大力发展绿色环保方向,由于氧化铍有毒性逐渐开始退出历史的舞台。碳化硅又因为其绝缘性差,无法应用在微电子电路中。而Al2O3、AlN、Si3N4陶瓷粉体具有无毒、高温稳定性好、导热性好,以及与Si、SiC和GaAs等半导体材料相匹配的热膨胀系数,得到了广泛推广应用。几种粉体的热导率和综合评价如下表所示,目前主流用于制备陶瓷基板的粉体原料还是以氧化铝和氮化铝为主。

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市场中粉体的制备方法主要有硅粉直接氮化法、自蔓延高温合成法、碳热还原法。

(1)硅粉直接氮化法和自蔓延高温合成法是比较主流的方法,但由于反应温度接近甚至超过原料的熔点,往往造成产物形貌不规则、ɑ相含量低、团聚严重,需要进一步破碎,在后续处理中容易引入其他杂质;

(2)碳热还原法是具有原料丰富、工艺简单、成本低等优点,非常适合大批量生产;其中碳热还原法成为目前最常用的粉体制备技术之一。

1.2 陶瓷基板制备工艺

流延成型技术是标准的湿法成型工艺,可一次性成型制备厚度范围在几十微米到毫米级别的陶瓷生坯,并通过进一步的层压、脱脂、烧结形成陶瓷基片,主要应用于电子基板、多层电容器、多层封装、压电陶瓷等。与传统的粉末冶金干法制备工艺相比,流延工艺制备出的陶瓷薄片均匀性好、通透性高,在要求比较高的集成电路 领域深受欢迎。陶瓷基板常用的成型方法主要以流延成型为主。流延工艺的流程图如下所示:

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来源:陶瓷材料流延成型工艺的研究进展

流延浆料是流延成型的重要组成部分,根据溶剂性质的不同,流延浆料又分为有机流延成型工艺和水基流延成型工艺。

(1)陶瓷粉体是流延浆料的主相,是坯片的主要成分, 影响着流延成品的导热性、电阻率、介电常数、化学稳定 性以及机械强度。陶瓷粉体的颗粒尺寸、粒度分布以及粉体的结晶形貌都对流延工艺以及流延膜的质量有较大影响, 因此在选择粉体的时候需要考虑以下特征:化学纯度、颗粒尺寸、粉体形貌;

(2)粘结剂作为流延浆料体系的唯一连续相,它能包裹住粉料颗粒,并固化形成三维立体结构,增加流延膜的强度。粘结剂和增塑剂共同作用可以提高生坯片的强 度,并改善韧性与延展性,便于生坯片与载体膜的脱离以及后续加工;

(3)粉体颗粒在浆料中的分散性和均匀性与流延膜的 品质息息相关。解决粉体团聚的主要方式有物理分散与化学分散,而在浆料中加入分散剂是流延技术中最常用的手段;

(4)除上述成分外,流延浆料还会加入一些功能性添加 剂来改善流延膜制备过程产生的缺陷,如消泡剂、润滑 剂、均质剂、絮凝剂、控流剂等;

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1.4 陶瓷烧结

烧结是利用热能使粉末坯体致密化的技术,其具体的定义是指多孔状态的坯体在高温条件下,表面积减小,孔隙率降低,力学性能(机械强度等)提高的致密化过程。坯体在烧结过程中要发生一系列的物理化变化,如膨胀,收缩,气体的产生,液相的出现,旧晶相的消失,新晶相的形成等。在不同的温度,气氛条件下,所发生变化的内容与程度也不相同,从而形成不同的晶相组成和显微结构,决定了陶瓷制品不同的质量和性能。

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烧结可分为有液相参加的烧结和纯固相烧结两类。烧结过程对陶瓷生产具有很重要的意义。为降低烧结温度,扩大烧成范围,通常加入一些添加物作助熔剂,形成少量液相,促进烧结。陶瓷烧结是陶瓷加工中的一种重要工艺,其过程分为三个阶段:预烧阶段、烧结阶段和冷却阶段。

预烧阶段:在这个阶段,陶瓷制品会被放入炉子中进行预烧处理,用来去除陶瓷中的水分和有机物质。高温下,水分和有机物质会被分解并释放出来,让制品干燥且有机物质燃烧殆尽。这一阶段的主要目的是为了减少烧结时产生的气泡等缺陷。

烧结阶段:在预烧之后,制品会被加热到高温下进行烧结。这个阶段是陶瓷工艺中最关键的一步,也是最困难的一步。在高温下,陶瓷颗粒会开始熔化和结合在一起,形成一个坚固的陶瓷结构。这一阶段需要控制好温度、时间和压力等因素,使得陶瓷能够充分结合,而不会出现烧结不完全或者表面开裂等缺陷。

冷却阶段:在烧结完成后,制品需要进行冷却,使得陶瓷结构能够逐渐稳定下来。如果制品过早地被取出炉子,容易导致热应力而产生裂纹。因此,一般会采取缓慢冷却的方式,让制品温度逐渐降下来。在冷却过程中,还需要将炉门缓慢地打开,逐渐将炉内压力和炉外压力平衡,以避免制品瞬间受到外界压力而发生破裂。

1.5 陶瓷材料的导热性影响因素

高导热性非金属固体通常具备以下4个条件:构成的原子要轻、原子间的结合力要强、晶格结构要单纯、晶格振动的对称性要高。陶瓷材料的导热性的影响因素:(1)原料粉体,原料粉体的纯度、粒度、物相会对材料的热导率、力学性能产生重要影响。由于非金属的传热机制为声子传热,当晶格完整无缺陷时,声子的平均自由程越大,热导率越高,而晶格中的氧往往伴随着空位、位错等结构缺陷,显著地降低了声子的平均自由程,导致热导率降低;

(2)在烧结过程,添加的烧结助剂中可以与陶瓷粉体表面的原生氧化物发生反应,形成低熔点的共晶熔液,利用液相烧结机理实现致密化。然而,烧结助剂所形成的晶界相自身的热导率较低,对陶瓷热导率具有不利影响,特别地,如氮化硅陶瓷常用的Al2O3烧结助剂,在高温下会与氮化硅和其表面氧化物形成SiAlON固溶体,造成晶界附近的晶格发生畸变,对声子传热产生阻碍,从而大幅度降低氮化硅陶瓷的热导率。因此选用适合的烧结助剂,制定合理的配方体系是提升氮化硅热导率的关键途径。

2 陶瓷基板金属化

目前导热的陶瓷基板可分为HTCC(高温共烧多层陶瓷)、LTCC(低温共烧陶瓷)、DBC(直接键合铜陶瓷基板) 和DPC(直接镀铜陶瓷基板)、活性金属纤焊陶瓷基板(AMB)等几种形式,其特点如下。

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来源:热管理材料整理

对于大功率器件而言,基板除具备基本的机械支撑与电互连功能外,还要求具有高的导热性能。因为HTCC/LTCC的热导率较低,因此在高功率的器件以及IGBT模组的使用场景中散热基板目前主要以DBC、DPC、AMB三种金属化技术为主。

2.1 DPC技术

DPC技术是先其制作首先将陶瓷基片进行前处理清洗,利用真空溅射方式在基片表面沉积 Ti/Cu 层作为种子层,接着以光刻、显影、刻蚀工艺完成线路制作,最后再以电镀/化学镀方式增加线路厚度,待光刻胶去除后完成基板制作。 关键技术涉及激光打技术、避免孔壁熔渣、镀铜的一致性、填孔效果等。

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来源:AIN应用性能出众,国产替代机遇显著

DPC 技术具有如下优点:(1) 低温工艺(300 ℃以下),完全避免了高温对材料或线路结构的不利影响,也降低了制造工艺成本;(2) 采用薄膜与光刻显影技术,使基板上的金属线路更加精细(线宽尺寸 20~30 m,表面平整度低于 0.3 m,线路对准精度误差小于±1%),因此 DPC 基板非常适合对准精度要求较高的电子器件封装。 

2.2 DBC技术

DBC是陶瓷基片与铜箔在高温下(1065℃)共晶烧结而成,最后根据布线要求,以刻蚀方式形成线路。由于铜箔具有良好的导电、导热能力,而氧化铝能有效控制 Cu-Al2O3- Cu 复合体的膨胀,使 DBC 基板具有近似氧化铝的热膨胀系数。关键技术涉及键合工艺、如何减少孔隙、翘曲的控制、精确控温、氧化层的控制等。

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来源:AIN应用性能出众,国产替代机遇显著

DBC 具有导热性好、 绝缘性强、可靠性高等优点,已广泛应用于 IGBT、LD 和 CPV 封装。DBC 缺点在于, 其利用了高温下 Cu 与 Al2O3间的共晶反应,对设备和工艺控制要求较高,基板成本较高;由于 Al2O3 与 Cu 层间容易产生微气孔,降低了产品抗热冲击性;由于铜箔在高温下容易翘曲变形。

2.3 AMB技术

AMB 技术是指,在 800℃左右的高温下,含有活性元素 Ti、Zr 的 AgCu 焊料在陶瓷和金属的界面润湿并反应,从而实现陶瓷与金属异质键合的一种工艺技术。AMB陶瓷基板,首先通过丝网印刷法在陶瓷板材的表面涂覆上活性金属焊料,再与无氧铜层装夹,在真空钎焊炉中进行高温焊接,然后刻蚀出图形制作电路,最后再对表面图形进行化学镀。关键技术涉及如何控制Ti的氧化和偏析、高温下有机物的挥发导致孔洞和界面不致密的问题。

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来源:《热管理材料》整理

AMB工艺是金属钎料实现氮化铝与无氧铜的高温结合,以结合强度高、冷热循环可靠性好等优点,不仅具有更高的热导率、更好的铜层结合力,而且还有热阻更小、可靠性更高等优势。AMB陶瓷基板缺点在于工艺的可靠性很大程度上取决于活性钎料成分、焊工艺、舒焊层组织结构等诸多关键因素,工艺难度大,而且还要兼顾成本方面的考虑。

3 应用领域

3.1 高铁、新能源汽车、风力、5G基站IGBT模块 

由于 IGBT输出功率高,发热量大,散热不良将损坏 IGBT 芯片,因此对 IGBT封装而言,散热是关键,必须选用陶瓷基板强化散热。氮化铝、氮化硅陶瓷基板具有热导率高、与硅匹配的热膨胀系数、高电绝缘等优点,非常适用于 IGBT 以及功率模块的封装。广泛应用于轨道交通、航天航空、电动汽车、风力、太阳能发电等领域。

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3.2 LED封装

纵观LED技术发展,功率密度不断提高,对散热的要求也越来越高。由于陶瓷具有的高绝缘、高导热和耐热、低膨胀等特性,特别是采用通孔互联技术,可有效满足LED倒装、共晶、COB(板上芯片)、CSP(芯片规模封装)、WLP (圆片封装)封装需求,适合中高功率LED封装。

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3.3 光伏/芯片模组

光伏发电是根据光生伏特效应原理,利用太阳能电池将太阳光直接转化为电能。由于聚焦作用导致太阳光密度增加,芯片温度升高,必须采用陶瓷基板强化散热。实际应用中,陶瓷基板表面的金属层通过热界面材料(TIM)分别与芯片和热沉连接,热量通过陶瓷基板快速传导到金属热沉上,有效提高了系统光电转换效率与可靠性。

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4 行业分析

陶瓷基板具备散热性好、耐热性好、热膨胀系数与芯片材料匹配、绝缘性好等优点,被广泛用于大功率电子模块、航空航天、军工电子等产品。高功率IGBT、SiC 功率器件搭载上车,刺激上游陶瓷基板的需求,推动产业发展,近期多个公司宣布陶瓷基板项目的投产或扩建计划。

4.1 全球陶瓷基板市场火爆,市场规模稳步增加

根据华西证劵研究所报告显示,2020 年全球陶瓷基板市场规模达到 89 亿美元,预计 2026 年全球规模将达到 172.9 亿美元,涨幅达到 94.27%,市场前景广阔。

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4.2 高功率IGBT模块持续推动DBC/AMB陶瓷基板市场扩大

DBC 陶瓷基板具有高强度、 导热性能强以及结合稳定的优质性能,而 AMB 陶瓷基板是在 DBC 的基础上发展而来的, 结合强度相对更高。近年来随着新能源汽车、光伏储能行业的快速发展, IGBT 功率模块的需求快速增长,对于 DBC、 AMB 陶瓷基板的需求也不断增加。目前 DBC 陶瓷基板主要生产厂家有罗杰斯、贺利氏集团、高丽化工等;AMB 陶瓷基板主要生产厂家有罗杰斯、日本京瓷、日本丸和等。

4.3 LED需求量提高

LED 芯片对于散热要求极为苛刻,车载照明将进一步提升 AlN 基板的需求。 目前单芯片 1W 大功率 LED 已产业化, 3W、 5W,甚至 10W 的单芯片大功率 LED 也已推出,并部分走向市场。这使得超高亮度 LED 的应用面不断扩大,从特种照明的市场领域逐步走向普通照明市场。由于 LED 芯片输入功率的不断提高,对这些功率型 LED 的封装技术提出了更高的要求。而传统的基板无法承载高功率的热能,氮化铝陶瓷具有良好的导热和绝缘性能,能够提高 LED 功率水平和发光效率。功率 LED 已经在户外大型看板、小型显示器背光源、车载照明、室内及特殊照明等方面获得了大量应用。DPC 陶瓷基板凭借其电路精度高且制备温度低的特点,被广泛用于高精度、小体积封装产品中,在高功率发光二极管中被广泛使用。数据显示,2020 年 DPC 陶瓷基板全球市场规模达到 12 亿美元,预计 2026 年达到 17 亿美元。

4.4 第三代半导体SIC加速上车-AMB急速获益

SiC 加速上车,AMB 随之受益,Si3N4陶瓷基板的热膨胀系数与第 3代半导体衬底SiC晶体接近,使其能够与SiC晶体材料匹配性更稳定。虽然国内AMB 技术有一定积累,但产品主要是 AIN-AMB基板,受制于Si3N4基片技术的滞后,国内尚未实现Si3N4-AMB的商业化生产,核心工艺被美国 Rogers、德国 Heraeus和日本京瓷、东芝高材、韩国 KCC 等国外企业掌握。

5 总结

基于陶瓷基板良好的导热性、耐热性、绝缘性和低热膨胀系数等优点,陶瓷基板在功率电子器件封装中得到广泛应用。目前,陶瓷基板主要应用于IGBT、LD 器件封装、LED 封装、芯片封装模组等。但是有诸多限制其热导率的因素, 如晶格缺陷、杂质元素、晶格氧含量、晶粒尺寸等, 导致高端陶瓷基板的实际热导率并不高。目前, 就如何提实际热导率从而实现大规模生产还存在一些待解决的问题:粉体颗粒尺寸、烧结助剂的选择、实现大规模生产。但是由于陶瓷流延浆料有机物的影响,导致致密度不高, 而且流延成型的晶粒定向生长不明显, 如何实现流延片中的氮化硅颗粒定向生长和提升其致密度必将成为未来的研究热点。此外,目前国内的陶瓷基板技术整体落后,标准缺失,未来迫切需要加强核心技术与材料的研发力度,满足飞速发展的市场需求。随着国家政策大力支持,科技型产业向高质量推进,陶瓷基板行业未来发展态势也会持续上升,相信在未来我国在陶瓷基板行业会在全球站稳自己的脚跟,具有自己的一席之地。

本文标题:陶瓷基板-高功率器件散热的核“心”

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