“多才多艺”的氧化铝陶瓷基板

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描述

陶瓷基板以其优良的导热性和气密性,广泛应用于功率电子、电子封装、混合微电子和多芯片模块等领域。氧化铝是目前应用最广最多的陶瓷基板材料,它不仅机械强度大、绝缘、耐高温、稳定性好、高性价比以及对热冲击作用的良好抵抗性、与金属之间能形成密封的钎焊等优势,而且制造加工工艺成熟成本低廉,已被广泛应用于厚膜电路、薄膜电路、混合电路、多芯片组件以及大功率IGBT模块等领域,也是目前应用最为广泛的陶瓷基板材料。

氧化铝陶瓷的种类

氧化铝陶瓷根据纯度可分为分为纯高型和普通型两种。

① 高纯型氧化铝

高纯型氧化铝陶瓷是Al2O3含量在99.9%以上的陶瓷材料,由于其烧结温度高达1650~1990℃,透射波长为1~6μm,一般制成熔融玻璃以取代铂坩埚,利用其透光性及可耐碱金属腐蚀性用作钠灯管;在电子工业中可作集成电路基板与高频绝缘材料。

② 普通型氧化铝陶瓷

普通型氧化铝陶瓷按Al2O3含量不同分为99瓷、95瓷、90瓷、85瓷等品种(指Al2O3含量分别为99%、95%、90%、85%等),主要区别在于基板掺杂量不同,掺杂量越少,基片纯度越高,不同纯度的氧化铝陶瓷基片的电性能、机械性能都有一定的区别,纯度越高的陶瓷片其介电常数越高,介质损耗越低,其基板的光洁度越好。有时Al2O3含量在80%或75%者也划为普通氧化铝陶瓷系列。

▼不同Al2O3含量的Al2O3陶瓷基片的典型性能

薄膜电路

其中99氧化铝瓷材料用于制作高温坩埚、耐火炉管及特殊耐磨材料,如陶瓷轴承、陶瓷密封件及水阀片等;95氧化铝瓷主要用作耐腐蚀、耐磨部件;85瓷中由于常掺入部分滑石,提高了电性能与机械强度,可与钼、铌、钽等金属封接,有的用作电真空装置器件。75瓷和95瓷是广泛用作厚膜电路基板的陶瓷材料,薄膜电路用的陶瓷基板多采用97瓷或99瓷。

薄膜电路

氧化铝基片的主要性能随着氧化铝含量的增加而提高,但氧化铝含量越高,陶瓷制备越困难,95瓷一般在1500℃以上烧成。而99瓷的烧成温度达到1700℃以上。

按照颜色来分,氧化铝陶瓷基片有白色、紫色、黑色三种。常见的氧化铝基板是白色,用作LED基板、高频电路基板等,但有些用途需要避免氧化铝基板反射光线,黑色氧化铝的产品因此生成。

 氧化铝陶瓷基板的优势

● 良好的绝缘性能:氧化铝陶瓷基板具有良好的绝缘性能,能够有效隔离电路,避免因漏电等问题导致的故障。

● 优异的耐高温性能:氧化铝陶瓷基板在高温环境下能够保持稳定的性能,能够承受高温环境下的长时间运行,不易变形、烧蚀或氧化等。

● 高强度和硬度:氧化铝陶瓷基板具有较高的强度和硬度,能够承受一定的机械压力和冲击力,不易破碎或磨损。

● 优异的化学稳定性:氧化铝陶瓷基板对大多数化学物质都具有良好的耐腐蚀性,能够在化学侵蚀的环境中稳定运行。

● 良好的加工性能:氧化铝陶瓷基板具有良好的加工性能,可以进行钻孔、铣削、切割等加工工艺,可以实现复杂的几何形状和高精度的尺寸要求。可基于薄膜光刻工艺进行电路加工,其精度可达到微米级别,许多无源器件可基于氧化铝陶瓷基片进行设计,由于其介电常数相对一般PCB基板较高,设计而成的器件尺寸小,这在各类组件模块小型化的发展趋势中有着十分显著的优势。

氧化铝陶瓷基板的应用

① 片式电阻用陶瓷基板

电阻氧化铝陶瓷基板优势:产品体积小、重量轻、热膨胀系数小、可靠性好、导热率和密度高,大大提高了电路的可靠性和电路的布线密度,是片式电阻元件的载体材料。


薄膜电路
 片式电阻结构示意图,来源:松下

② 混合集成电路用陶瓷基板

混合集成电路(hydrid)是一种封装方法,其应至少含有二个以上元件,且其中一个是有源的。把它们安装于已经用厚膜或薄膜制成的金属导带绝缘片上,用这种技术制造的复杂电路即为混合集成电路。基片对电路起机械支撑作用,为形成无源元件的导带材料,介质材料及电阻材料提供淀积场所,它还对所有无源及有源片式元件起机械支撑作用。

在混合集成电路中,常用的基板有氧化铝、氧化铍、氧化硅、氮化铝等种类,但是从成本和性能上考虑,被广泛使用的还是具有光滑表面的高纯度氧化铝基板。因氧化铝含量的不同,基板的质量和等级也有所差异,常见的有99.6%氧化铝和96%氧化铝,前者一般适用于薄膜电路,而对于厚膜电路来说,96%氧化铝基板就可以满足其工艺要求。多层共烧用氧化铝陶瓷一般采用90瓷~95瓷之间的氧化铝陶瓷生瓷片为基本材料。

③ 功率器件基板

对于功率型电子器件封装而言,基板除具备基本的布线(电互连)功能外,还要求具有较高的导热、绝缘、耐热、耐压能力与热匹配性能。以DBC和DPC等为代表的金属化陶瓷基板在导热、绝缘、耐压与耐热等方面性能优越,已成为功率型器件封装的首选材料,并逐渐得到市场的认可。器件封装的基板材料中最为常见的是氧化铝基板(Al2O3),一般为氧化铝含量96%的氧化铝基板,氧化铝基板技术十分成熟并且价格低廉。

由于氧化铝陶瓷的热导率相对较低(20-30W/m·K),与Si、SiC等半导体材料的热膨胀系数匹配不好,限制了氧化铝基板在大功率器件上的应用。

④ LED用氧化铝陶瓷基板

大功率LED散热基板主要以陶瓷基板为主,市场上使用较多的大功率陶瓷基板主要有LTCC(低温共烧陶瓷)和DPC(直接镀铜陶瓷)两种,陶瓷材料有氧化铝、氮化铝等。LED用氧化铝陶瓷基板具有高散热性及高气密性的特质,可提高LED发光效率及寿命。而良好的气密性,使其具有高度的耐候性优点,可运用于各种不同环境。




审核编辑:刘清

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