多層共燒金屬化氮化鋁陶瓷工藝研究

曹坤 龐學(xué)滿 夏慶水 戴洲

摘要：氮化鋁陶瓷具有熱導(dǎo)率高、絕緣性好以及無(wú)毒害等特點(diǎn)，由于可以多層布線和金屬化共燒，因此在很多領(lǐng)域有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。該文介紹了多層共燒金屬化氮化鋁陶瓷的工藝方法，重點(diǎn)介紹了印刷、疊片層壓、燒結(jié)、鍍覆工藝以及其性能檢測(cè)方法等方面的研究。通過(guò)上述研究可以生產(chǎn)熱導(dǎo)率高、金屬化電阻率低且附著力強(qiáng)的多層共燒陶瓷產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：氮化鋁陶瓷；共燒；金屬化；熱導(dǎo)率

中圖分類號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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

氮化鋁陶瓷具有導(dǎo)熱性好、機(jī)械強(qiáng)度高、電絕緣性好以及無(wú)毒害等特點(diǎn)，目前在許多高科技領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，是近年來(lái)發(fā)展較快的一種陶瓷材料。多層共燒金屬化氮化鋁陶瓷采用厚膜印刷和通孔金屬化的方式，在疊層成型后高溫?zé)Y(jié)，形成具有三維電路結(jié)構(gòu)的高性能陶瓷。因其還具有介電常數(shù)小、與芯片材料膨脹系數(shù)較匹配、易于實(shí)現(xiàn)多層布線等特點(diǎn)，在微電子、光電子、電力電子及功率電子封裝等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，在很多領(lǐng)域逐漸開始取代氧化鈹、氧化鋁等傳統(tǒng)的陶瓷材料。

我單位在多年的多層共燒金屬化氮化鋁陶瓷產(chǎn)品的研制生產(chǎn)過(guò)程中積累了經(jīng)驗(yàn)，該文對(duì)其生產(chǎn)過(guò)程中的一些重要工藝包括印刷、疊片層壓、燒結(jié)、鍍覆以及檢測(cè)等做了重點(diǎn)介紹。

2工藝研究

2.1金屬化印刷工藝

印刷工藝是多層共燒金屬化氮化鋁陶瓷生產(chǎn)的關(guān)鍵工藝之一。由于電子封裝高集成度、高封裝密度的趨勢(shì)，要求印刷線條和線間距越來(lái)越小，圖形的分辨率越來(lái)越高（圖1為一種產(chǎn)品的印刷圖形照片）。另外，由于批生產(chǎn)多采用大版面印刷，如何保證各部分印刷線寬和厚度等質(zhì)量參數(shù)的一致性以及如何控制絲網(wǎng)變形和圖形位置精度也成為非常重要的問(wèn)題。目前，一般根據(jù)需要采用325目以上的不銹鋼絲網(wǎng)來(lái)獲得較高的圖形分辨率和質(zhì)量；通過(guò)結(jié)合不銹鋼網(wǎng)和聚酯絲網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行蹦床式復(fù)合張網(wǎng)來(lái)減小工藝過(guò)程中絲網(wǎng)的變形，提高圖形位置精度。

2.2疊片、層壓工藝

在印刷和通孔金屬化工藝完成以后，需要進(jìn)行疊片工藝，將多層生瓷片按一定順序堆疊起來(lái)并使瓷帶上相應(yīng)的通孔和圖形位置精確對(duì)應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)多層電路的互聯(lián)并具有相應(yīng)的邏輯關(guān)系。目前常用疊片方法有光學(xué)自動(dòng)化對(duì)位疊片和定位柱（孔）疊片等。疊片完成之后需要將產(chǎn)品真空包封之后進(jìn)行層壓，在一定的溫度和壓力作用下完成層與層之間的相互擴(kuò)散，形成牢固結(jié)合的整體。圖2是某種多層陶瓷產(chǎn)品疊片層壓后的截面照片。

圖2多層陶瓷產(chǎn)品截面照片

2.3燒結(jié)工藝

燒結(jié)工藝是多層共燒金屬化氮化鋁陶瓷生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)產(chǎn)品的致密程度、熱導(dǎo)率、變形情況、金屬化強(qiáng)度、機(jī)械強(qiáng)度等都有很大的影響。氮化鋁陶瓷的燒結(jié)是一個(gè)液相促進(jìn)陶瓷致密化的過(guò)程，隨著溫度的升高，燒結(jié)助劑與氮化鋁粉料表面少量的氧化鋁以及氧雜質(zhì)反應(yīng)在晶界處形成液態(tài)的鋁酸鹽相，并逐漸向晶界交叉點(diǎn)和陶瓷表面遷移，這個(gè)過(guò)程促進(jìn)了氮化鋁陶瓷的致密化，從而使陶瓷獲得較高的熱導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度。圖3氮化鋁陶瓷燒結(jié)液相促進(jìn)致密化過(guò)程的示意圖。

圖3氮化鋁陶瓷燒結(jié)致密化過(guò)程

影響產(chǎn)品燒結(jié)質(zhì)量的主要因素有以下幾點(diǎn)：

1）產(chǎn)品的排膠。排膠需要注意氣氛保護(hù)以及保溫時(shí)間的控制，排除有機(jī)物，盡量降低碳和氧雜質(zhì)的含量。如果排膠不充分，會(huì)影響陶瓷的致密化，在陶瓷中形成缺陷，從而影響陶瓷性能。

2）最高溫度和保溫時(shí)間。燒結(jié)的最高溫度和保溫時(shí)間決定了燒結(jié)時(shí)液相的形成過(guò)程，對(duì)陶瓷的密度、熱導(dǎo)率等性能影響很大，并直接影響金屬化強(qiáng)度和電鍍質(zhì)量，燒結(jié)工藝的重點(diǎn)就是要首先確定燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間。

3）升降溫速率。升溫和降溫速率也是影響燒結(jié)質(zhì)量和陶瓷性能的重要因素，對(duì)氮化鋁晶粒的尺寸，鋁酸鹽相的分布等產(chǎn)生影響。4）燒結(jié)氣氛。氣氛保護(hù)不充分會(huì)造成陶瓷和金屬化的氧化，影響陶瓷和金屬化的性能。

2.4鍍覆工藝

鍍覆工藝的主要目的是在氮化鋁陶瓷金屬化表面覆蓋相應(yīng)的金屬，使之滿足后續(xù)的釬焊和芯片貼裝等工藝要求，并起到防止底層金屬擴(kuò)散、保護(hù)底層金屬不受環(huán)境影響的作用。圖4為氮化鋁陶瓷金屬化的一般鍍層截面圖。鍍覆前需要去除金屬化表面的沾污和鋁酸鹽相，氮化鋁陶瓷不耐酸堿腐蝕，因此在鍍覆前對(duì)基材的清洗過(guò)程需要控制溶液的酸堿度，我們開發(fā)了弱堿性的鍍覆前處理液配方，即保證了金屬化強(qiáng)度不下降，又能有效去除金屬化層表面的沾污和鋁酸鹽相。采用這種方法后鍍層強(qiáng)度的提升較為明顯。

3性能測(cè)試

3.1熱導(dǎo)率測(cè)試

熱導(dǎo)率是氮化鋁陶瓷產(chǎn)品的關(guān)鍵特性，其測(cè)試采用激光熱導(dǎo)熱儀進(jìn)行，一般需要制作標(biāo)準(zhǔn)尺寸的樣品，通過(guò)激光脈沖照射樣品背面，利用紅外測(cè)溫器檢測(cè)標(biāo)樣正面隨時(shí)間變化的溫度曲線，根據(jù)曲線計(jì)算出熱擴(kuò)散系數(shù)α，再測(cè)試樣品的比熱Cp和密度ρ，通過(guò)下面的公式求得材料的熱導(dǎo)率λ：λ=α·ρ·Cp

3.2相成分分析

鋁酸鹽相的形成和遷移對(duì)氮化鋁陶瓷的性能起到了重要作用，對(duì)氮化鋁陶瓷中各相組成的分析可以更好的了解氮化鋁陶瓷的微觀狀態(tài)，從而可以更有針對(duì)性的對(duì)配方、燒結(jié)條件進(jìn)行調(diào)整以獲得高質(zhì)量的氮化鋁陶瓷。

相組成的分析主要采用X射線衍射分析儀（XRD）進(jìn)行測(cè)試。圖5為利用XRD測(cè)試氮化鋁陶瓷相組成的結(jié)果界面。

圖5 XRD測(cè)試結(jié)果界面

3.3金屬化方阻測(cè)試

金屬化方阻測(cè)量采用在AlN陶瓷表面燒結(jié)長(zhǎng)為L(zhǎng)，寬為W，厚度為H的長(zhǎng)條形金屬化圖形，測(cè)量圖形兩端的電阻R，其方阻為：R*W *H /10L。我單位生產(chǎn)的共燒氮化鋁陶瓷金屬化的方阻的測(cè)量指標(biāo)為小于18mΩ/□。

3.4產(chǎn)品性能指標(biāo)

本單位生產(chǎn)的多層共燒金屬化氮化鋁陶瓷產(chǎn)品的一些常規(guī)性能指標(biāo)為：1）熱導(dǎo)率：≥170W/m·K；2）熱膨脹系數(shù)：4.5～4.8x10-6/℃；3）抗折強(qiáng)度：≥320Mpa；4）金屬化方阻：≤18mΩ/□。

4結(jié)論

通過(guò)對(duì)上述多層共燒金屬化氮化鋁陶瓷各項(xiàng)工藝的深入研究，我所生產(chǎn)的多層共燒金屬化氮化鋁陶瓷基板和外殼產(chǎn)品的熱導(dǎo)率、機(jī)械強(qiáng)度、金屬化電阻率和金屬化附著力等指標(biāo)優(yōu)異，已在多種大功率電子產(chǎn)品的封裝中應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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