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氮化鋁基大功率混合電路厚膜材料

（2025年8月23日更新）

摘要

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氧化鋁一直是傳統(tǒng)混合電路設(shè)計(jì)和制造的首選基板。它提供了正確電路操作所需的機(jī)械強(qiáng)度、電阻率和熱性能。然而，在過去的幾年里，我們經(jīng)歷了混合技術(shù)向具有高度復(fù)雜和密集電路配置的電子設(shè)備的轉(zhuǎn)變。這些電子設(shè)備比以前的設(shè)計(jì)產(chǎn)生更多的功率和熱量。為了保持終端設(shè)備的最佳性能和功能，需要使用導(dǎo)熱性較高的基板來正確管理傳熱和散熱。氮化鋁的熱性能為設(shè)計(jì)工程師提供了替代傳統(tǒng)氧化鋁的可靠方法。

氮化鋁的使用也給厚膜供應(yīng)商和電路制造商帶來了一系列不同的挑戰(zhàn)，同時(shí)創(chuàng)造了令人興奮的新可能性。由于熱膨脹不匹配和燒制過程中影響附著力的基板的化學(xué)變化，以前適合氧化鋁的厚膜漿通常與氮化鋁不相容。賀利氏開發(fā)了一種符合這一挑戰(zhàn)和高功率、高可靠性電路應(yīng)用的性能要求的方法RoHS和REACH新型厚膜漿料的標(biāo)準(zhǔn)。此外，我們還開發(fā)了電阻漿和兼容玻璃釉。本文將討論上述厚膜材料及其可靠性測試前后的關(guān)鍵性能。這包括導(dǎo)體的附著力、電阻值及其TCR。

關(guān)鍵詞

附著力、氮化鋁、可靠性、電阻、厚膜、TCR

一、導(dǎo)言

近60年來，厚膜混合電路技術(shù)以基板和部件集成的形式出現(xiàn)。厚膜在較小的封裝中具有相似或優(yōu)異的性能，具有較好的散熱優(yōu)勢，而不是典型的覆銅板。傳統(tǒng)上，印刷混合電路的基板是氧化鋁。它成功地滿足了大多數(shù)功能操作要求：體積電阻率、高溫穩(wěn)定性、低表面粗糙度、可接受的導(dǎo)熱性，以及各種材料（玻璃、金屬氧化物和貴金屬）的兼容性，用于制造導(dǎo)體、電阻器、電介質(zhì)和玻璃釉。此外，它還提供了一個(gè)寬處理窗口，以最大限度地減少厚膜的性能變化。然而，為了提高設(shè)備性能，市場不斷需要功率密度更高、熱量更好的小型設(shè)備。為了有效地制造這些設(shè)備，熱導(dǎo)率必須高于氧化鋁基板。使用更具導(dǎo)熱性的氮化鋁基板，以滿足這一要求。如表12所示，氮化鋁的熱導(dǎo)率可比氧化鋁高7.5-10倍，同時(shí)在同一工藝窗口中保持類似的功能特性。

表1：氧化鋁和氮化鋁陶瓷基板的性能比較

由于上述原因，電力電子和功率LED氮化鋁似乎比氧化鋁更好。然而，氮化鋁還具有其他固有的特性，這給厚膜供應(yīng)商帶來了挑戰(zhàn)，特別是在附著力方面。氮化鋁的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)低于氧化鋁。厚膜電路中常用的氧化鋁為96%，其余以玻璃相為主。燒結(jié)時(shí)，厚膜漿中的玻璃與氧化鋁96瓷中的玻璃相形成鍵接，達(dá)到良好的附著力，但AlN但是表面沒有這些玻璃相，所以氧化鋁96瓷常料不能用于AlN而且由于熱膨脹不匹配，零件燒制后可能會(huì)彎曲/或開裂。氮化鋁高于700°C在溫度下也會(huì)氧化。許多通常用于氧化鋁的玻璃會(huì)加速和增強(qiáng)氧化，產(chǎn)生游離氮，破壞薄膜，導(dǎo)致氣泡，直接影響附著力、導(dǎo)電性和電氣性能。通過開發(fā)一系列厚膜漿料產(chǎn)品，賀利氏允許在氮化鋁上建造混合電路。我們將討論各種多層混合電路，重點(diǎn)介紹幾種導(dǎo)體(銀、銀鈀、銀鉑、銅、金)和兩種電阻膏和玻璃釉。對(duì)于導(dǎo)體，我們將詳細(xì)說明初始附著力和長期可靠性測試后的附著力，包括150°C老化附著力和85°C/85%RH(相對(duì)濕度)。對(duì)金導(dǎo)體進(jìn)行同樣的測試；然而，附著力將基于金絲鍵合。對(duì)于電阻漿料，我們將在可靠性測試后測量電阻變化和TCR(電阻溫度系數(shù))，(電阻溫度系數(shù))。

二、加工厚膜導(dǎo)體(銀、銀鈀)

在2"x2"的Maruwa氮化鋁(AlN-以下導(dǎo)體漿料印在基板上：CL80-11157(Ag)、C2360(6:1 Ag/Pd)。對(duì)兩個(gè)部件進(jìn)行了初始和重新燃燒的附著力試驗(yàn)。其余10個(gè)部件用于可靠性測試。其中5個(gè)用于150°C85用于老化，5用于85°C/85%RH試驗(yàn)。

銀鈀導(dǎo)線的線徑為1.3 mil的280目/0.5 mil乳膠膜不銹鋼絲網(wǎng)采用70硬度刮板。印刷后，將零件流平10分鐘，放置150°C箱式爐10分鐘，確保漿料完全干燥。在燒結(jié)爐中停留10分鐘°C峰值溫度。

圖1顯示了每個(gè)導(dǎo)體燒結(jié)的微觀結(jié)構(gòu)SEM圖像。導(dǎo)體中的玻璃/金屬氧化物在導(dǎo)體與基板之間的界面上形成一層晶體，這將產(chǎn)生一種對(duì)粘合至關(guān)重要的機(jī)械粘合。CL80-11157(1a) 和 C2360(1b)，晶體的微觀結(jié)構(gòu)非常相似。這是因?yàn)閷?dǎo)體具有類似的玻璃和金屬氧化物化學(xué)性質(zhì)。

圖1：氮化鋁厚膜導(dǎo)體截面

為了準(zhǔn)備附著力測試樣品（圖2），將錫鉛絲焊接到每個(gè)燒結(jié)樣品上的80個(gè) x 80 mil在導(dǎo)體焊盤上。樣品在250°C下浸入Alpha 615 RMA加入無鉛助焊劑SAC305(Sn96.5/Ag3.0/Cu-0.5)焊料5秒。焊接后，引線彎曲成90度角。使用Zwick/Roell Z2.剝離測試儀，拆除電線，測量附著力。

圖2：使用Alpha 615 RMA助焊劑在250°C下通過SAC305焊料可焊性試驗(yàn)將導(dǎo)體和導(dǎo)線連接到導(dǎo)體焊盤

三、附著力性能評(píng)估

表2列出了每個(gè)導(dǎo)體的特性。漿料的粘度和流變性適用于絲網(wǎng)印刷。燒成膜厚度和電阻率測量基于上述加工條件。

表2：導(dǎo)漿特性

圖3顯示了初始和重復(fù)燒結(jié)的附著力結(jié)果。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來說，超過4.0磅的初始附著力值被認(rèn)為是可以接受的。正如預(yù)期的那樣，再次燒結(jié)后附著力降低。這可以歸因于各種因素：導(dǎo)體中玻璃成分的回流、玻璃/金屬氧化物與金屬顆粒反應(yīng)方式的變化以及與氮化鋁基板氧化有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)。通常，再次燒結(jié)后，可接受3.0磅以上的附著力。除CL80-11157(Ag)略低于外，C2360超過3.0磅的附著力目標(biāo)。表3和表4分別說明150°C老化和85°C/85%相對(duì)濕度可靠性試驗(yàn)結(jié)果。

圖3:導(dǎo)體附著力(初始和三次重復(fù)燒結(jié))

150°C老化結(jié)果(表3)CL80-11157(Ag)、C2360(Ag/Pd)導(dǎo)體的初始(1x燒結(jié))1000小時(shí)后附著力>4.0磅。老化后，CL80-11157(Ag)單次燒結(jié)樣品的附著力幾乎不變，但三次燒結(jié)樣品的附著力增加。

表3：導(dǎo)體150°C老化后的附著力(lbs.)

表4：導(dǎo)體85°C/85%RH老化后的附著力(lbs.)

85°C/85%相對(duì)濕度研究結(jié)果(表4)表明所有導(dǎo)線的初始(1x燃燒)附著力超過4.0磅的目標(biāo)值。第三，我們注意到雙85試驗(yàn)后多次燒結(jié)后的附著力有所下降。

四、金導(dǎo)體加工

在2“x2”的Maruwa氮化鋁(AlN-170)在基板上印一層C5730金導(dǎo)體。印刷、干燥和燒制試驗(yàn)條件與前面討論的導(dǎo)體相同。燒成后，用1.25密耳金絲在2個(gè)樣品(30個(gè)拉拔樣品)上測量第一次燒成、3次燒成和5次燒成的金導(dǎo)體附著力。圖4顯示了金的微結(jié)構(gòu)和引線鍵合。燒制導(dǎo)體橫截面4a表示。與之前的導(dǎo)體(圖1)大致相同，界面形成一層玻璃層，形成機(jī)械組合，有助于提高附著力值。圖4b顯示完整的導(dǎo)線鍵合，4c和4d顯示了4b楔形鍵合和球形鍵合的高倍視圖。粘結(jié)層干凈，無裂紋或分層跡象。在1x、3x、5x燃燒后，為了進(jìn)行以下可靠性測試，還對(duì)兩個(gè)樣品進(jìn)行了附著力測試：150°C和85°C在0、48、100、250、50000、250、500和1000小時(shí)內(nèi)進(jìn)行。

圖4：C氮化鋁上的5730金導(dǎo)體與金線鍵合SEM照片。

金導(dǎo)體屬性/性能評(píng)估

C5730金導(dǎo)體的粘度為280–380 Pa-s，使用Brookfield HBT粘度計(jì)在25°C溫度下使用6R杯，SC4-14號(hào)軸，在10rpm下測量。在12μm在標(biāo)準(zhǔn)化厚度下，固體含量為84–87%，電阻率<5.5毫歐/平方。附著力結(jié)果見圖5和圖6。一般來說，金線的粘結(jié)附著力>界面斷線12克是可取的。正如我們?cè)趫D5中所看到的，初始和再燒結(jié)后的附著力沒有統(tǒng)計(jì)差異。中值保持不變。

圖5:1.25密耳金絲鍵合界面圖，初始和重新燒結(jié)

圖6:可靠性測試后C5730初始和重復(fù)燒結(jié)導(dǎo)體上的金絲拉力結(jié)果

圖6顯示了150°C老化、85°C/85%RH和-55–150°C熱循環(huán)可靠性研究產(chǎn)生的導(dǎo)線附著力。結(jié)果表明，初始、三次、五次的附著力沒有顯著差異。此外，1000小時(shí)老化后，1000小時(shí)85°C/85%RH1000次熱循環(huán)后的值實(shí)際上大于初始附著力。目標(biāo)值為14-17克，遠(yuǎn)高于12克。

六、電阻器加工

氧化鋁開發(fā)的兩種無鉛電阻漿與氮化鋁兼容性好。R2211為10Ω/□電阻漿料，R2221為Ω/□電阻漿料。與上述導(dǎo)體漿料相同的印刷、干燥和燒制條件。現(xiàn)有印刷電阻器C2360(銀/鈀)導(dǎo)體樣品。三次再燒和五次再燒試驗(yàn)分別使用兩個(gè)樣品。可靠性測試六個(gè)樣品。150用兩個(gè)樣品°C老化，85°C/85%RH，兩個(gè)用于熱循環(huán)(-555°C–150°C)測試。

還有六個(gè)樣品印有玻璃釉漿(IP9002)。IP9002用200目篩印刷，鋼絲直徑為1.6密耳，乳膠厚度為0.5密耳。干燥后，在600°C在峰值溫度下停留5分鐘。可靠性測試與無釉樣品相同。測量有釉和無釉的電阻變化和 TCR和-TCR。

七、電阻/印刷釉后特性及性能評(píng)估

表5列出了R2211和R2221電阻器的特性。

表5:電阻器打印后的情況

列出了表6和表7R2211和R多次燒結(jié)后使用2221電阻器IP9002釉后的電阻變化。正如預(yù)期的那樣，電阻隨著多次燒結(jié)而降低。我們還觀察到，印刷釉后，電阻變化是可預(yù)測和可再現(xiàn)的。

表6:電阻多次重?zé)兓?/p>

表7:玻璃釉的電阻變化

表8-10顯示了在150°C老化、85°C/85%RH和-55°C–150°C熱循環(huán)可靠性測試后，R2211和R2221與有IP9002釉的電阻變化。°C和85°C/85%RH在典型行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的10%范圍內(nèi)，釉面電阻變化小于5%。同樣，500個(gè)熱循環(huán)后的變化也在目標(biāo)限值內(nèi)。

表8:電阻變化(150)°C老化)

表9:電阻變化(855)°C/85%相對(duì)濕度)

表10:電阻變化(TC：-55°C–150°C)

表11-12顯示了150°C老化和85°C/85%RH(有或沒有IP9002釉)后的TCR值。熱TCR測量在125°C下進(jìn)行，冷TCR測量在-55°C下一步。在老化研究中，當(dāng)使用玻璃釉時(shí)，兩個(gè)電阻器的熱量TCR和冷TCR變化很小°C/85%RH在研究中，有釉層TCR變化很大(表12)。

表11:熱冷TCR(150°C老化)

表12:熱冷TCR(85°C/85%相對(duì)濕度)

八、結(jié)論

賀利氏已開發(fā)出氮化鋁基板的合規(guī)性RoHS和REACH包括銀、銀/鈀和金導(dǎo)體以及兩種與玻璃釉兼容的電阻漿。提供的數(shù)據(jù)清楚地表明，這些產(chǎn)品的性能特性與傳統(tǒng)的氧化鋁基板厚膜漿相似。對(duì)于大多數(shù)導(dǎo)體，可靠性測試前后測得的附著力值符合標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)厚膜的要求。10歐姆和100歐姆電阻器與導(dǎo)體非常相似，可以產(chǎn)生良好的性能效果。這包括可重復(fù)生產(chǎn)的穩(wěn)定電阻值和優(yōu)點(diǎn)Sumida代理經(jīng)過可靠性測試(無論是否有玻璃釉)，異常再燒性和可預(yù)測性TCR值。

目前，賀利氏是用來開發(fā)賀利氏的AlN基板材料如下表所列：