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、絕緣性好以及無毒害等特點，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，重點介紹了印刷、疊片層壓、燒結(jié)、鍍覆工藝以及其性能檢測方法等方面的研究。通過上述研究可以生產(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：TP39文獻標識碼：A文章編號：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、機械強度高、電絕緣性好以及無毒害等特點，目前在許多高科技領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，是近年來發(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、易于實現(xiàn)多層布線等特點，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)過程中積累了經(jīng)驗，該文對其生產(chǎn)過程中的一些重要工藝包括印刷、疊片層壓、燒結(jié)、鍍覆以及檢測等做了重點介紹。

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，要求印刷線條和線間距越來越小，圖形的分辨率越來越高（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題。目前，一般根據(jù)需要采用325目以上的不銹鋼絲網(wǎng)來獲得較高的圖形分辨率和質(zhì)量；通過結(jié)合不銹鋼網(wǎng)和聚酯絲網(wǎng)的優(yōu)點進行蹦床式復(fù)合張網(wǎng)來減小工藝過程中絲網(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，需要進行疊片工藝，將多層生瓷片按一定順序堆疊起來并使瓷帶上相應(yīng)的通孔和圖形位置精確對應(yīng)，從而實現(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)自動化對位疊片和定位柱（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，對產(chǎn)品的致密程度、熱導(dǎo)率、變形情況、金屬化強度、機械強度等都有很大的影響。氮化鋁陶瓷的燒結(jié)是一個液相促進陶瓷致密化的過程，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和陶瓷表面遷移，這個過程促進了氮化鋁陶瓷的致密化，從而使陶瓷獲得較高的熱導(dǎo)率和機械強度。圖3氮化鋁陶瓷燒結(jié)液相促進致密化過程的示意圖。

圖3氮化鋁陶瓷燒結(jié)致密化過程

影響產(chǎn)品燒結(jié)質(zhì)量的主要因素有以下幾點：

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

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

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。氣氛保護不充分會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散、保護底層金屬不受環(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，因此在鍍覆前對基材的清洗過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度的提升較為明顯。

3性能測試

3.1熱導(dǎo)率測試

熱導(dǎo)率是氮化鋁陶瓷產(chǎn)品的關(guān)鍵特性，其測試采用激光熱導(dǎo)熱儀進行，一般需要制作標準尺寸的樣品，通過激光脈沖照射樣品背面，利用紅外測溫器檢測標樣正面隨時間變化的溫度曲線，根據(jù)曲線計算出熱擴散系數(shù)α，再測試樣品的比熱Cp和密度ρ，通過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氮化鋁陶瓷的性能起到了重要作用，對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)，從而可以更有針對性的對配方、燒結(jié)條件進行調(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）進行測試。圖5為利用XRD測試氮化鋁陶瓷相組成的結(jié)果界面。

圖5 XRD測試結(jié)果界面

3.3金屬化方阻測試

金屬化方阻測量采用在AlN陶瓷表面燒結(jié)長為L，寬為W，厚度為H的長條形金屬化圖形，測量圖形兩端的電阻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量指標為小于18mΩ/□。

3.4產(chǎn)品性能指標

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）抗折強度：≥320Mpa；4）金屬化方阻：≤18mΩ/□。

4結(jié)論

通過對上述多層共燒金屬化氮化鋁陶瓷各項工藝的深入研究，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、機械強度、金屬化電阻率和金屬化附著力等指標優(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：

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