Combien connaissez-vous les circuits imprimés en céramique?

1. Les antécédents de développement des cartes de circuits en céramique.

The first-generation semiconductor technology represented by silicon (Si) and germanium (Ge) materials is mainly used in the field of data computing and lays the foundation for the microelectronics industryLes semi-conducteurs de deuxième génération, représentés par l'arsenure de gallium (GaAs) et le phosphure d'indium (InP), sont principalement utilisés dans le domaine des communications pour produire des micro-ondes de haute performance.dispositifs d'onde millimétrique et d'émission lumineuseLes besoins en matière de développement technologique et d'application ont progressivement augmenté, et les limites des deux ont progressivement émergé.qui rendent difficile le respect des exigences d'utilisation de haute fréquence, haute température, haute puissance, haute efficacité énergétique, résistance aux environnements difficiles, et léger et miniaturisé.Les matériaux semi-conducteurs de troisième génération représentés par le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN) présentent les caractéristiques d'un grand espace de bande, haute tension critique de rupture, haute conductivité thermique et haute vitesse de dérive de saturation du support.et ont de larges perspectives d'application dans l'éclairage par semi-conducteursLa Commission a adopté une proposition de directive relative à la mise en place d'un système d'information et de communication à grande échelle dans le domaine de l'électronique automobile, des communications mobiles de nouvelle génération (5G), des nouvelles énergies et des véhicules à énergie nouvelle, du transport ferroviaire à grande vitesse, de l'électronique grand public et d'autres domaines.Les perspectives d'application devraient permettre de franchir le goulot d'étranglement de la technologie traditionnelle des semi-conducteurs, complète les technologies des semi-conducteurs de première et deuxième générations et présente une valeur d'application importante dans les appareils optoélectroniques, l'électronique de puissance, l'électronique automobile,aérospatiale et autres domainesAvec la montée et l'application des semi-conducteurs de troisième génération, les appareils semi-conducteurs se développent progressivement dans la direction de la haute puissance, de la miniaturisation, de l'intégration et de la multi-fonction.qui impose également des exigences plus strictes pour les performances des substrats d'emballageLes circuits imprimés en céramique présentent les caractéristiques d'une conductivité thermique élevée, d'une bonne résistance thermique, d'un faible coefficient de dilatation thermique, d'une résistance mécanique élevée, d'une bonne isolation,résistance à la corrosion, résistance aux rayonnements, etc., et sont largement utilisés dans les emballages de dispositifs électroniques.

2. Classification technique des circuits imprimés en céramique Les circuits imprimés en céramique comprennent des substrats en céramique et des couches de circuits en métal.

Pour les emballages électroniques, le substrat d'emballage joue un rôle clé dans la connexion des canaux de dissipation thermique internes et externes,et possède des fonctions telles que l'interconnexion électrique et le soutien mécaniqueLa céramique présente les avantages d'une conductivité thermique élevée, d'une bonne résistance thermique, d'une résistance mécanique élevée et d'un faible coefficient de dilatation thermique.Il s'agit d'un matériau de substrat couramment utilisé pour l'emballage de dispositifs de semi-conducteurs de puissanceSelon différents principes et procédés de préparation, les substrats céramiques couramment utilisés peuvent être divisés en substrats céramiques à film mince (TFC), substrats céramiques à impression épaisse (TPC),et le substrat céramique de cuivre directement lié (DBC), le substrat céramique de cuivre directement plaqué (DPC), etc.Cet article analyse les propriétés physiques des matériaux de substrat céramique couramment utilisés (y compris Al2O3, AlN, Si3N4, BeO, SiC et BN, etc.), en mettant l'accent sur l'introduction des principes de préparation, des flux de processus et des caractéristiques techniques de divers substrats céramiques.

2.1Circuits électromagnétiques en céramique à film fin

Les circuits imprimés en céramique à film mince (TFC), également appelés circuits imprimés à film mince, utilisent généralement un procédé de pulvérisation pour déposer directement une couche métallique sur la surface du substrat en céramique.et utilise la photolithographie, le développement, la gravure et d'autres processus pour modeler la couche métallique en circuits... Parce que le TFC utilise un photorésistant de haute précision comme matériau photorésistant,combiné à la photolithographie et à la technologie de gravure, la caractéristique distinctive du TFC est une grande précision de motif, comme la largeur de ligne/largeur de fente inférieure à 10 μm.résistances à film mince et composants de circuits de paramètres distribués sur un substrat céramiqueIl a une large gamme de paramètres de composants, une haute précision et de bonnes caractéristiques de température et de fréquence. Il peut fonctionner dans la bande d'onde millimétrique et a un haut niveau d'intégration.En raison de sa petite tailleEn raison de la fréquence de fonctionnement élevée et de l'impact important des paramètres parasitaires sur les performances du circuit,le TFC lui-même est de petite taille et a une forte densité de composantsPar conséquent, il existe des exigences de précision et de cohérence très élevées pour la conception de circuits, le substrat et le motif de film.

2.2 Circuits électroniques en céramique à film épais

Le substrat TPC peut être préparé en recouvrant la suspension métallique sur le substrat céramique par sérigraphie, séchage et frittage à haute température.En fonction de la viscosité de la suspension métallique et de la taille du maillage, l'épaisseur de la couche de circuit métallique préparée est généralement de 10 μm à 20 μm.Les substrats TPC ne permettent pas d'obtenir des lignes de haute précision (la largeur minimale des lignes/l'espacement des lignes est généralement supérieure à 100 μm)En outre, afin d'abaisser la température de frittage et d'améliorer la résistance à la liaison entre la couche métallique et le substrat céramique,une petite quantité de phase de verre est généralement ajoutée à la suspension métallique, ce qui réduira la conductivité électrique et thermique de la couche métallique.Les substrats TPC ne sont utilisés que dans l'emballage de dispositifs électroniques (tels que l'électronique automobile) qui n'ont pas d'exigences élevées en matière de précision des circuits..

2.3 Liage direct au substrat céramique

Pour préparer le substrat céramique DBC, l'élément oxygène est d'abord introduit entre la feuille de cuivre (Cu) et le substrat céramique (Al2O3 ou AN),puis la phase eutectique de CuO se forme à environ 1065°C (le point de fusion du cuivre métallique est de 1083°C)Le film et la feuille de cuivre réagissent pour générer du CuAlO2 ou du Cu ((AO2) 2, obtenant une liaison eutectique entre la feuille de cuivre et la céramique.Parce que la céramique et le cuivre ont une bonne conductivité thermique, et la résistance à l'union eutectique entre le papier de cuivre et la céramique est élevée, le substrat DBC a une grande stabilité thermique et a été largement utilisé dans les diodes bipolaires à porte isolée (GBT),les lasers (LD) et les photovoltaïques focalisés (CPV) et d'autres dispositifs sont emballés pour la dissipation de chaleur. La feuille de cuivre de substrat DBC a une grande épaisseur (généralement de 100 μm à 600 μm), ce qui peut répondre aux besoins des applications d'emballage de dispositifs dans des environnements extrêmes tels que des températures élevées et un courant élevé.Bien que les substrats DBC aient de nombreux avantages dans les applications pratiques, la température eutectique et la teneur en oxygène doivent être strictement contrôlées pendant le processus de préparation, ce qui nécessite un équipement et un contrôle de processus élevés, et le coût de production est également élevé.En plus, en raison de la limitation de l'écriture en cuivre épais, il est impossible de préparer une couche de circuit de haute précision.Le temps d'oxydation et la température d'oxydation sont les deux paramètres les plus importants.Après que la feuille de cuivre ait été préoxydée, l'interface de liaison peut former suffisamment de phase CuxOy pour mouiller la céramique Al2O3 et la feuille de cuivre, et a une résistance à la liaison élevée;si la feuille de cuivre n'est pas préoxydée, la mouillabilité du CuxOy est faible, et l'interface de liaison sera un grand nombre de vides et de défauts restent, réduisant la résistance de liaison et la conductivité thermique.Pour la préparation de substrats DBC utilisant des céramiques AlN, le substrat céramique doit être préoxydé pour former d'abord un film Al2O3, puis réagir avec la feuille de cuivre pour produire une réaction eutectique.Xie Jianjun et autres ont utilisé la technologie DBC pour préparer des substrats céramiques Cu/Al2O3 et Cu/AlNLa résistance à la liaison entre la feuille de cuivre et les céramiques AlN dépassait 8 N/mm. Il y avait une couche de transition d'une épaisseur de 2 μm entre la feuille de cuivre et l'AlN.Ses composants étaient principalement Al2O3 et CuAlO2- et du Cu2O.

2.4 Galvanisation directe de substrats céramiques

Le processus de préparation du substrat céramique DPC est le suivant: tout d'abord, un laser est utilisé pour préparer à travers des trous sur le substrat céramique (les ouvertures sont généralement de 60 μm ~ 120 μm),et ensuite des ondes ultrasoniques sont utilisées pour nettoyer le substrat céramique; la technologie de pulvérisation par magnétron est utilisée pour déposer une couche de graines métalliques sur la surface du substrat céramique (Ti/ Cu),puis compléter la production de la couche de circuit par photolithographie et développement; utiliser le galvanoplastic pour remplir les trous et épaissir la couche de circuit métallique, et améliorer la soudabilité et la résistance à l'oxydation du substrat par un traitement de surface,et enfin retirer le film sec et graver la couche de graines pour terminer la préparation du substrat. L'extrémité avant de la préparation du substrat céramique DPC utilise la technologie de micro-traitement des semi-conducteurs (couche de pulvérisation, photolithographie, développement, etc.),et l'extrémité arrière utilise la technologie de préparation des circuits imprimés (PCB) (plaquage graphique)Les avantages techniques sont évidents: 1) l'utilisation de la technologie de micro-usinage des semi-conducteurs,les circuits métalliques sur le substrat céramique sont plus fins (la largeur de ligne/l'espacement des lignes peut être aussi bas que 30μm~50μm, en fonction de l'épaisseur de la couche de circuit), de sorte que le substrat DPC est très approprié pour des applications nécessitant une précision d'alignement plus élevée.(2) Utilisation de la technologie de forage laser et de galvanisation pour réaliser une interconnexion verticale sur la surface supérieure/inférieure du substrat céramique, l'emballage tridimensionnel et l'intégration des dispositifs électroniques peuvent être réalisés et le volume des dispositifs peut être réduit;(3) La croissance par galvanoplastie est utilisée pour contrôler l'épaisseur de la couche de circuit (généralement 10 μm~100 μm), et la rugosité de surface de la couche de circuit est réduite par broyage pour répondre aux exigences d'emballage des dispositifs à haute température et à courant élevé;(4) Le procédé de préparation à basse température (en dessous de 300°C) évite les dommages causés par les températures élevées aux matériaux du substrat et affecte négativement les couches du circuit métallique.En résumé, le substrat DPC présente les caractéristiques d'une grande précision des motifs et d'une interconnexion verticale, et est une véritable carte de circuit céramique.La résistance de liaison entre la couche de circuit métallique et le substrat céramique est la clé pour affecter la fiabilité du substrat céramique DPCEn raison de la grande différence de coefficient de dilatation thermique entre le métal et la céramique, afin de réduire les contraintes d'interface,il est nécessaire d'ajouter une couche de transition entre la couche de cuivre et la céramiqueLa force de liaison entre la couche de transition et la céramique est principalement basée sur l'adhérence par diffusion et la liaison chimique.les métaux ayant une activité plus élevée et une bonne diffusivité tels que le Ti, Cr et Ni sont souvent sélectionnés comme couche de transition.

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