厚膜銅、銀導(dǎo)體在功率電路中的應(yīng)用

2019-11-03 10:00:24

字體：大中小

供稿：網(wǎng)友

葉天培

信息產(chǎn)業(yè)部電子第43研究所，安徽合肥230022

　　1引言

　　全球通信產(chǎn)業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)、工業(yè)和消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)業(yè)對(duì)高效功率轉(zhuǎn)換電路的市場(chǎng)需求仍然在不斷增長(zhǎng)。典型功率電路應(yīng)用主要包括功率半導(dǎo)體模塊、DC/DC變換器、光鎮(zhèn)流器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器、汽車(chē)控制系統(tǒng)等。各種功率電路的額定電流值不等，變化幅度可以從數(shù)安培到數(shù)百安培乃至數(shù)千安培，這就造成了各類(lèi)功率電路功能要求的千差萬(wàn)別。同樣，對(duì)電路設(shè)計(jì)、工作環(huán)境、電路結(jié)構(gòu)中所用材料的要求也有顯著的差別。

　　功率電路也有基本要求：需要使用可用以承載電路電流的若干形式的金屬化基板，這些基板能為有源器件、無(wú)源元件提供良好的散熱條件，基板制造工藝性能價(jià)格比好，可靠性高。對(duì)所有功率電路來(lái)說(shuō)，基板金屬化的形式直接影響到如何提高電路效率和減小電路尺寸，這兩個(gè)因素恰好是推動(dòng)功率電路技術(shù)發(fā)展的主要?jiǎng)恿ΑＡ硗猓瑸檫m應(yīng)目前環(huán)保意識(shí)的世界潮流，制造金屬化基板和功率電路組件用的材料應(yīng)該符合環(huán)保型的ISO14000要求，用于制作電子元器件的材料及其用后的廢棄處理均不能對(duì)環(huán)境帶來(lái)有害影響。

　　功率電路設(shè)計(jì)師、工程師們常用的3種基板金屬化技術(shù)是：金屬絕緣基板（IMS）、直接敷銅（DBC）和厚膜（ThickFilm）技術(shù)。這3種技術(shù)目前均在功率電路應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了商品化并獲得廣泛應(yīng)用。

　　IMS技術(shù)主要是用一層大約有75μm厚的填充著陶瓷材料的有機(jī)介質(zhì)膜層使35μm～140μm厚的刻蝕過(guò)的銅金屬化層與鋁底板絕緣。該技術(shù)使用了有機(jī)材料，故對(duì)表層的工作溫度作了低于125℃的限制。DBC技術(shù)是將200μm～500μm厚的銅直接鍵合在陶瓷基板兩面并且刻蝕出圖形，較適合高溫和大電流應(yīng)用。厚膜技術(shù)是將高溫?zé)Y(jié)的金屬化層制作在陶瓷基板上。表1所示為上述3種金屬化基板技術(shù)使用的材料的熱導(dǎo)率。目前，世界市場(chǎng)上的絕大多數(shù)功率電路使用DBC散熱。DBC技術(shù)可以提供功率電路需要的厚導(dǎo)體層。但是，DBC技術(shù)的缺點(diǎn)是制作成的電路密度低，不可能將細(xì)間距(5密爾～10密爾)的元器件組合在一起。也就是說(shuō)，在DBC基板上無(wú)法集成控制電路或驅(qū)動(dòng)電路及保護(hù)電路。有人考慮用MCM技術(shù)在DBC基板上制造功率電路，以此解決控制電路等的集成問(wèn)題。MCM固然能夠?qū)崿F(xiàn)該目標(biāo)，但生產(chǎn)成本高，在很大程度上會(huì)影響其推廣應(yīng)用。

　　2加厚型厚膜金屬化技術(shù)的應(yīng)用

　　目前，印制、燒結(jié)在96％氧化鋁基板上的加厚型厚膜導(dǎo)體已經(jīng)在大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品中得到應(yīng)用。1996年，為能在某些應(yīng)用中替代IMS或DBC技術(shù)，DuPont公司與功率電路制造商一起開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用加厚型的高溫?zé)Y(jié)銀、銅導(dǎo)體漿料。

　　在傳統(tǒng)工藝上，為了滿足多層電路和GreenTapeTM電路的微小型化、增加功能和提高電路密度的要求，厚膜導(dǎo)體按很細(xì)的線間距和幾微米的厚度印刷和燒結(jié)。這類(lèi)較復(fù)雜的電路大多數(shù)應(yīng)用于汽車(chē)電子裝置，例如ECU及ABS裝置、DC/DC變換器及變頻器等。

　　但是，用氧化鋁基板制作的功率電路要求用一種明顯不同于上述方式的方法進(jìn)行導(dǎo)體漿料的設(shè)計(jì)。這些導(dǎo)體漿料應(yīng)是高導(dǎo)熱和導(dǎo)電性的非合金型銀或銅組份，印制用的絲網(wǎng)網(wǎng)目較粗，以利于印刷很厚的導(dǎo)體層。經(jīng)干燥后的印制件仍需要在較高溫度下排膠和使金屬粉和玻璃料在氧化鋁基板上燒結(jié)成膜。燒成膜必須致密，有極好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性，適合使用粗鋁絲（10密爾）在上面進(jìn)行絲焊，適合釬焊。目前，已開(kāi)發(fā)的某些銀、銅導(dǎo)體漿料的燒成膜厚度可達(dá)到200μm，該厚度是根據(jù)需要確定的，所采用的是3次連續(xù)的印制/干燥/燒結(jié)（P/D/F）重復(fù)工藝。

　　3加厚型厚膜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

　　在功率電路應(yīng)用中，使用加厚型厚膜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)很多。

　　（1）具備改變膜層厚度的能力，可以將較薄的高密度信號(hào)導(dǎo)帶和較厚的功率電路導(dǎo)體層印制在同一塊基板上，如圖1所示。各種功率半導(dǎo)體器件能直接粘焊在燒成膜上，改善熱耗散狀況。可使組裝成本降低，因?yàn)闇p少了電路－電路間的互連，同時(shí)使電路的可靠性得以提高，設(shè)計(jì)方案也可以靈活變更。相比之下，其它技術(shù)常常需要將功率器件和控制電路分別組裝在不同的基板上。

　　（2）可以在印制導(dǎo)體的同時(shí)印制各種電阻器，這些電阻器可用激光調(diào)值。如果需要，在功率電路基板上也可以印制厚膜多層電路，提高電路密度，減小和降低組件的尺寸和成本。

　　（3）加厚型厚膜技術(shù)可以使用微電子組裝生產(chǎn)通用的元器件粘焊及互連工藝，例如硅芯片的高溫粘焊及粗鋁絲鍵合。

　　（4）引線框架可以直接焊接在基板上而不需要使用過(guò)渡載體。

　　（5）利用厚膜通孔互連技術(shù)可以制作雙面電路，導(dǎo)熱通孔則有助于改善功率器件與散熱片之間的熱傳導(dǎo)。

　　（6）厚膜印制和燒結(jié)工藝均是加成工藝，對(duì)材料和環(huán)境的控制較容易，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生廢水。

　　（7）軍用、汽車(chē)電子以及航空航天等嚴(yán)酷環(huán)境中的大量應(yīng)用證明了加厚型厚膜電路所具備的可靠性、耐用性和設(shè)計(jì)靈活性。厚度增大的印制導(dǎo)體的應(yīng)用使現(xiàn)有的厚膜技術(shù)得到擴(kuò)展，混合集成電路制造商可以利用現(xiàn)有的設(shè)備和專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員加工這些專(zhuān)用的加厚型導(dǎo)體漿料。

　　（8）96％氧化鋁的熱導(dǎo)率較高，絕緣性能好，因此是一種性能價(jià)格比優(yōu)良的基板材料，96％氧化鋁的熱膨脹系數(shù)（TCE）約為7.3×10－6/℃，可以與硅功率器件的TCE相匹配，這有利于減小組裝較大尺寸芯片時(shí)的熱應(yīng)力。

　　4功率電路用加厚型導(dǎo)體漿料

　　表2列出專(zhuān)供大面積印制厚膜導(dǎo)體用的加厚型導(dǎo)體漿料的品種和主要特性參數(shù)。這些漿料能滿足占178mm×127mm基板面積90％左右的金屬化方塊和焊盤(pán)圖形的生產(chǎn)要求。

　　對(duì)金屬粉末、有機(jī)載體系統(tǒng)以及無(wú)機(jī)粘接相進(jìn)行選擇和組合有利于確保燒成膜具備致密結(jié)構(gòu)。這類(lèi)選擇和組合將最大程度地提高漿料的電、熱特性，而且不會(huì)影響其它物理特性。大面積印刷時(shí)，這些經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的漿料可以很干凈地與絲網(wǎng)分離，圖形可保持良好的外觀及印刷分辨率。

　　表2中的6004銅漿料是一種在低溫（600℃）氮?dú)鈿夥障聼Y(jié)的功率電路用的導(dǎo)體漿料，可用來(lái)制作通孔或可焊接的導(dǎo)體層。另外兩種“高溫”燒結(jié)的銅漿料，即7731和7732均是在900℃下氮?dú)鈿夥罩袩桑纬傻氖种旅艿哪泳哂辛己玫膶?dǎo)熱、導(dǎo)電性能。據(jù)稱(chēng)，為獲得這些特性，在漿料配制過(guò)程中對(duì)這兩種銅漿料所用的金屬粉末和粘接相的選擇很苛刻。

　　功率電路金屬化層3次印/烘/燒所需厚度為150μm或以下時(shí)，建議選用7731銅漿料。7732銅漿料的開(kāi)發(fā)成功使功率電路金屬化層3次印/烘/燒的厚度增加到200μm（使用105目絲網(wǎng)），這兩種銅導(dǎo)體材料均可以進(jìn)行焊接，與粗鋁絲（10密爾）鍵合性能優(yōu)良。初始鍵合強(qiáng)度達(dá)500g，150℃/1000小時(shí)老煉試驗(yàn)后，鍵合強(qiáng)度達(dá)450g。

　　非合金型銀漿料7740是在空氣中燒成，采用標(biāo)準(zhǔn)850℃燒成曲線。能與眾多的Dupont公司的空氣燒成厚膜電阻漿料兼容。這就便于功率電路生產(chǎn)商使用同一種導(dǎo)體組分、基板以及加工工藝來(lái)印制散熱焊盤(pán)、導(dǎo)電條、控制電路和電阻器端頭。

　　5加厚型膜導(dǎo)體印制工藝

　　盡管加厚型導(dǎo)體的印制過(guò)程與標(biāo)準(zhǔn)的厚膜工藝相似，但對(duì)于具體操作人員來(lái)說(shuō)仍需要考慮到許多細(xì)節(jié)的處理。

　　如果電路有信號(hào)層，第一層導(dǎo)體層可以用165目的不透鋼絲網(wǎng)印制，乳膠掩膜厚20μm，依據(jù)實(shí)際使用的漿料組份情況，該導(dǎo)體層燒成膜厚度在25μm～35μm之間。

　　第一層導(dǎo)體層印制完畢后，如有些地方需要加厚，這些地方便要作第二次加印。根據(jù)所要求的分辨率選擇更粗網(wǎng)目的絲網(wǎng)。印制最大厚度絲網(wǎng)目的推薦值是105目，乳膠掩膜厚度為70μm。選擇絲網(wǎng)之后，加厚層厚膜印刷的關(guān)鍵條件是選擇有硬度的刮刀（硬度計(jì)讀數(shù)≥80）和最小的刮刀壓力。在加印第二層時(shí)如能從底層第一層導(dǎo)體的最邊緣起刮印，可以得到最大的表面平整度，也便于元器件貼裝。建議厚膜層的加厚使用依次進(jìn)行的印/烘/燒工藝，因?yàn)閷?duì)金屬進(jìn)行共燒處理會(huì)損害燒成膜的密度。表2表明，綜合使用各種目數(shù)絲網(wǎng)的方法可以形成最佳的圖形分辨率和厚度。

　　只在基板一面作大面積金屬化層印制時(shí)，由于加厚型金屬化層的TCE與氧化鋁基板的TCE不一致，可能會(huì)造成基板彎曲。使用基板較薄，金屬化層較厚或者印制面積大都會(huì)造成基板彎曲。用對(duì)基板背面加印薄層導(dǎo)體的做法可以控制該彎曲度。

　　如果基板需要進(jìn)行背面金屬化，其加工過(guò)程應(yīng)繼第一層頂層導(dǎo)體燒成之后進(jìn)行。對(duì)印制絲網(wǎng)的選擇取決于需要膜層的厚度。

　　6加厚型厚膜的熱性能

　　加厚型厚膜最重要的性能特征之一是熱耗散特性好，因?yàn)閷?duì)加厚導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，使功率器件產(chǎn)生的熱量完全傳導(dǎo)出去是非常重要的。該特性取決于燒成膜的組份和結(jié)構(gòu)，還取決于印制的厚度。加厚導(dǎo)體層可以水平方向散熱。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，基板及燒成膜厚度的綜合效應(yīng)的研究是一個(gè)重要課題。美國(guó)Dupont公司與某終端用戶(hù)合作已開(kāi)始這方面的工作。

圖2結(jié)到散熱片的熱阻（Rthjs）

　　在兩種厚度的氧化鋁基板上（0.38mm和0.63mm）各雙面印制兩種厚度（25μm和150μm）的7731銅導(dǎo)體漿料，形成4個(gè)金屬化層。25μm厚度的7731銅導(dǎo)體漿料分別印制在每塊氧化鋁基板的背面，面積增大了的某個(gè)硅功率器件被直接粘焊在頂層導(dǎo)體層上。每個(gè)元件再依次粘焊在帶有能接受熱耦的金屬化通孔的散熱片上。對(duì)硅功率器件施加電流，對(duì)其進(jìn)行電氣和溫度特性測(cè)量以便研究硅結(jié)點(diǎn)與散熱片之間的熱傳導(dǎo)特性。測(cè)試中，測(cè)得硅芯片結(jié)點(diǎn)和氧化鋁基板的溫度分別為140℃和100℃。該數(shù)值可以代表典型應(yīng)用。

　　圖2所示為計(jì)算得出的硅結(jié)點(diǎn)和散熱片之間的熱阻（Rthjs）。圖2對(duì)于同樣條件下加厚型厚膜導(dǎo)體、IMS基板及DBC基板的導(dǎo)熱性能作了對(duì)比。對(duì)比中采用的IMS的額定峰電壓為3kV，銅導(dǎo)體層厚105μm,底板料用的是2mm厚度的鋁板。所使用的DBC材料為在0.38mm厚度的氧化鋁基板的兩面均直接鍵合200μm厚度的銅箔。

　　圖2中的數(shù)據(jù)表明，由于厚膜印制導(dǎo)體的厚度增加，使熱導(dǎo)率有所改善，即圖中硅結(jié)點(diǎn)對(duì)散熱片的熱阻（Rthis）有所下降。研究表明，主要原因是導(dǎo)熱銅導(dǎo)體層的水平熱傳導(dǎo)效率得到了提高。圖中的數(shù)據(jù)還說(shuō)明在任何情況下，加厚型厚膜銅導(dǎo)體的熱性能均優(yōu)于IMS，而比DBC略差一些。但7731加厚（15μm）銅導(dǎo)體的熱性能與同樣制作在0.38mm厚氧化鋁基板上的200μm厚的DBC金屬化的熱性能已十分接近。圖2列出的數(shù)據(jù)特別證明了氧化鋁導(dǎo)熱的有效性。如圖2所示，雖然銅厚膜導(dǎo)體層正面的厚度（150μm）要比DBC金屬化的（200μm）薄50μm，其反面的厚度（25μm）要比DBC的薄175μm，正是基板和焊接層的導(dǎo)熱特性好，所以產(chǎn)生了良好的結(jié)果。故7731金屬化層已具備與塊銅（DBC）相當(dāng)?shù)臒嵝阅堋D2的結(jié)果還說(shuō)明氧化鋁基板是一種良好的導(dǎo)熱性材料，而且，薄基板實(shí)際上能更有效地將熱耗傳導(dǎo)到散熱片上。

　　7結(jié)束語(yǔ)

　　在氧化鋁上制造加厚型厚膜金屬化層為厚膜技術(shù)在功率電路中的應(yīng)用提供了生機(jī)。發(fā)達(dá)國(guó)家已開(kāi)發(fā)了適合于功率電路用的加厚型厚膜印制銅、銀導(dǎo)體。功率電路要求導(dǎo)體必須具備良好的印刷性能和良好的導(dǎo)熱性、可絲焊性及可焊接性。本文提到的新技術(shù)可以局部增加厚膜導(dǎo)體厚度，對(duì)電路設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本的控制具有較大的靈活性。加厚型厚膜技術(shù)的另一個(gè)特點(diǎn)是能夠用一塊基板在某些部位印制較薄的高密度信號(hào)控制電路，而在另外一些部位印制加厚的功率電路組裝用的焊盤(pán)以提供有效的熱耗散。加厚型厚膜技術(shù)以其獨(dú)特的厚度控制、通孔互連方面的靈活性和采用標(biāo)準(zhǔn)厚膜加工工藝并能與厚膜電阻器兼容等優(yōu)點(diǎn)開(kāi)辟了未來(lái)基板技術(shù)的新途徑，拓展了厚膜技術(shù)在功率電路領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

　　
摘自《電子元器件應(yīng)用》

上一篇：CPU核心電壓電路設(shè)計(jì)

下一篇：用單個(gè)晶體管提供短路保護(hù)