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多层共烧金属化氮化铝陶瓷工艺研究-站

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论文导读:
摘要:氮化铝陶瓷具有热导率高、绝缘性好以及无毒害等特点,由于可以多层布线和金属化共烧,因此在很多领域有着越来越广泛的应用。该文介绍了多层共烧金属化氮化铝陶瓷的工艺方法,重点介绍了印刷、叠片层压、烧结、镀覆工艺以及其性能检测方法等方面的研究。通过上述研究可以生产热导率高、金属化电阻率低且附着力强的多层共烧陶瓷产品。
关键词:氮化铝陶瓷;共烧;金属化;热导率
1009-3044(2012)23-5701-03
Research of Multilayer Metallization and Co-fired AlN Ceramic Processes
CAO Kun, PANG Xue-man, XIA Qin-shui, DAI Zhou
(The 55thInstitute of CETC, Nanjing 210016, China)
Abstract:AlN ceramic has high thermal conductivity, good insulativity and non-toxcity. It can co-fire with multilayer metallization , so it is widely used in many fields. This paper introduces the processes of the multilayer metallization and co-fired AlN ceramic. The study of printing, stacking and lamination, sintering, plating and the test method was introduced with emphasis. Through above studies, we can pro? duce multilayer co-fired AlN ceramic with high thermal conductivity and its metallization has low electrical resistivity and high adhesion.
Key words: AlN ceramic;co-fired;metallization;thermal conductivity
1概述
氮化铝陶瓷具有导热性好、机械强度高、电绝缘性好以及无毒害等特点,目前在许多高科技领域有着广泛应用,是近年来发展较快的一种陶瓷材料。多层共烧金属化氮化铝陶瓷采用厚膜印刷和通孔金属化的方式,在叠层成型后高温烧结,形成具有三维电路结构的高性能陶瓷。因其还具有介电常数小、与芯片材料膨胀系数较匹配、易于实现多层布线等特点,在微电子、光源于:毕业论文www.7ctime.com
电子、电力电子及功率电子封装等领域具有广阔的应用前景,在很多领域逐渐开始取代氧化铍、氧化铝等传统的陶瓷材料。
我单位在多年的多层共烧金属化氮化铝陶瓷产品的研制生产过程中积累了经验,该文对其生产过程中的一些重要工艺包括印刷、叠片层压、烧结、镀覆以及检测等做了重点介绍。
2工艺研究

2.1金属化印刷工艺

印刷工艺是多层共烧金属化氮化铝陶瓷生产的关键工艺之一。由于电子封装高集成度、高封装密度的趋势,要求印刷线条和线间距越来越小,图形的分辨率越来越高(图1为一种产品的印刷图形照片)。另外,由于批生产多采用大版面印刷,如何保证各部分印刷线宽和厚度等质量参数的一致性以及如何控制丝网变形和图形位置精度也成为非常重要的问题。目前,一般根据需要采用325目以上的不锈钢丝网来获得较高的图形分辨率和质量;通过结合不锈钢网和聚酯丝网的优点进行蹦床式复合张网来减小工艺过程中丝网的变形,提高图形位置精度。

2.2叠片、层压工艺

在印刷和通孔金属化工艺完成以后,需要进行叠片工艺,将多层生瓷片按一定顺序堆叠起来并使瓷带上相应的通孔和图形位置精确对应,从而实现多层电路的互联并具有相应的逻辑关系。目前常用叠片方法有光学自动化对位叠片和定位柱(孔)叠片等。叠片完成之后需要将产品真封之后进行层压,在一定的温度和压力作用下完成层与层之间的相互扩散,形成牢固结合的整体。图2是某种多层陶瓷产品叠片层压后的截面照片。
图2多层陶瓷产品截面照片

2.3烧结工艺

烧结工艺是多层共烧金属化氮化铝陶瓷生产的关键技术之一,对产品的致密程度、热导率、变形情况、金属化强度、机械强度等都有很大的影响。氮化铝陶瓷的烧结是一个液相促进陶瓷致密化的过程,随着温度的升高,烧结助剂与氮化铝粉料表面少量的氧化铝以及氧杂质反应在晶界处形成液态的铝酸盐相,并逐渐向晶界交叉点和陶瓷表面迁移,这个过程促进了氮化铝陶瓷的致密化,从而使陶瓷获得较高的热导率和机械强度。图3氮化铝陶瓷烧结液相促进致密化过程的示意图。
图3氮化铝陶瓷烧结致密化过程
影响产品烧结质量的主要因素有以下几点:
1)产品的排胶。排胶需要注意气氛保护以及保温时间的控制,排除有机物,尽量降低碳和氧杂质的含量。如果排胶不充分,会影响陶瓷的致密化,在陶瓷中形成缺陷,从而影响陶瓷性能。
2)最高温度和保温时间。烧结的最高温度和保温时间决定了烧结时液相的形成过程,对陶瓷的密度、热导率等性能影响很大,并直接影响金属化强度和电镀质量,烧结工艺的重点就是要首先确定烧结温度和保温时间。
3)升降温速率。升温和降温速率也是影响烧结质量和陶瓷性能的重要因素,对氮化铝晶粒的尺寸,铝酸盐相的分布等产生影响。4)烧结气氛。气氛保护不充分会造成陶瓷和金属化的氧化,影响陶瓷和金属化的性能。

2.4镀覆工艺

镀覆工艺的主要目的是在氮化铝陶瓷金属化表面覆盖相应的金属,使之满足后续的钎焊和芯片贴装等工艺要求,并起到防止底层金属扩散、保护底层金属不受环境影响的作用。图4为氮化铝陶瓷金属化的一般镀层截面图。镀覆前需要去除金属化表面的沾污和铝酸盐相,氮化铝陶瓷不论文导读:单位生产的共烧氮化铝陶瓷金属化的方阻的测量指标为小于18mΩ/□。3.4产品性能指标本单位生产的多层共烧金属化氮化铝陶瓷产品的一些常规性能指标为:1)热导率:≥170W/m·K;2)热膨胀系数:4.5~4.8x10-6/℃;3)抗折强度:≥320Mpa;4)金属化方阻:≤18mΩ/□。4结论通过对上述多层共烧金属化氮化铝陶瓷各项工艺
耐酸碱腐蚀,因此在镀覆前对基材的清洗过程需要控制溶液的酸碱度,我们开发了弱碱性的镀覆前处理液配方,即保证了金属化强度不下降,又能有效去除金属化层表面的沾污和铝酸盐相。采用这种方法后镀层强度的提升较为明显。
3性能测试

3.1热导率测试

热导率是氮化铝陶瓷产品的关键特性,其测试采用激光热导热仪进行,一般需要制作标准尺寸的样品,通过激光脉冲照射样品背面,利用红外测温器检测标样正面随时间变化的温度曲线,根据曲线计算出热扩散系数α,再测试样品的比热Cp和密度ρ,通过下面的公式求得材料的热导率λ:λ=α·ρ·Cp

3.2相成分分析

铝酸盐相的形成和迁移对氮化铝陶瓷的性能起到了重要作用,对氮化铝陶瓷中各相组成的分析可以更好的了解氮化铝陶瓷的微观状态,从而可以更有针对性的对配方、烧结条件进行调整以获得高质量的氮化铝陶瓷。
相组成的分析主要采用X射线衍射分析仪(XRD)进行测试。图5为利用XRD测试氮化铝陶瓷相组成的结果界面。
图5 XRD测试结果界面

3.3金属化方阻测试

金属化方阻测量采用在AlN陶瓷表面烧结长为L,宽为W,厚度为H的长条形金属化图形,测量图形两端的电阻R,其方阻为:R*W *H /10L。我单位生产的共烧氮化铝陶瓷金属化的方阻的测量指标为小于18mΩ/□。

3.4产品性能指标

本单位生产的多层共烧金属化氮化铝陶瓷产品的一些常规性能指标为:1)热导率:≥170W/m·K;2)热膨胀系数:4.5~4.8x10-6/℃;3)抗折强度:≥320Mpa;4)金属化方阻:≤18mΩ/□。
4结论
通过对上述多层共烧金属化氮化铝陶瓷各项工艺的深入研究,我所生产的多层共烧金属化氮化铝陶瓷基板和外壳产品的热导率、机械强度、金属化电阻率和金属化附着力等指标优异,已在多种大功率电子产品的封装中应用。
参考文献:
牛锛,赵新亮,王孙昊,等.烧结助剂对AlN陶瓷制备及性能的影响[J].硅酸盐学报,2010(12):2257-2261.
高小菊,李国斌,赵斌,等.氮化铝陶瓷生产关键技术研究现状[J].兵器材料科学与工程,2011,34(3):92-96.