引言全球通信行业、信息行业、工业和消费电子行业对高效功率转换电路的市场需求仍在增长。典型的功率电路应用主要包括功率半导体模块、DC/DC转换器、灯镇流器、电机驱动控制器、汽车控制系统等。各种电源电路的额定电流值从几安培到几百安培甚至上千安培不等，导致各种电源电路的功能要求不同。同样，对电路设计、工作环境和电路结构所用材料的要求也有显著差异。对电源电路也有基本要求:必须使用几种形式的能够承载电路电流的金属化基板。这些基板可以为有源器件和无源器件提供良好的散热条件，基板制造工艺性价比好，可靠性高。对于所有的电源电路来说，基板金属化的形式直接影响到如何提高电路效率和减小电路尺寸。这两个因素恰好是推动电源电路技术发展的主要动力。此外，为了适应当前环境意识的世界趋势，用于制造金属化基板和电源电路元件的材料应符合环保ISO14000的要求，并且用于制造电子元件的材料及其使用后的处置不应给环境带来有害影响。电源设计师和工程师常用的三种基板金属化技术是:金属绝缘基板(IMS)、直接镀铜(DBC)和厚膜。这三种技术已经商业化，并广泛用于电源电路应用。IMS技术主要是用一层厚度约为75μm的有机介质膜填充陶瓷材料，将刻蚀后厚度为35μ m ~ 140μ m的铜金属化层与铝基板绝缘。这项技术使用有机材料，因此表层的工作温度被限制在125℃以下。DBC技术是在陶瓷基板两面直接键合200微米~ 500微米厚的铜，并刻蚀图案，更适合高温大电流的应用。厚膜技术是在陶瓷基片上高温烧结金属化层。表1显示了在上述三种金属化基板技术中使用的材料的热导率。目前，世界市场上的大多数电源电路都使用DBC进行散热。DBC技术可以为电源电路提供厚的导体层。但DBC技术的缺点是电路密度低，无法以一个细间距(5mil ~ 10mil)组合元件。也就是说，控制电路、驱动电路和保护电路不能集成在DBC衬底上。有人考虑用MCM技术在DBC基板上制作电源电路，以解决控制电路的集成问题。虽然MCM可以实现这一目标，但其高昂的生产成本将极大地影响其推广应用。
表1三种金属化基板材料的热导率
(2)各种电阻可以和导体同时印刷，这些电阻可以用激光调节。如有必要，也可以在电源电路基板上印刷厚膜多层电路，以提高电路密度，降低元件尺寸和成本。(3)加厚厚膜技术可以采用微电子组装生产中元件的通用键合和互连技术，如硅片高温键合、粗铝线键合等。(4)引线框架可以直接焊接在基板上，而不使用过渡载体。(5)采用厚膜通孔互连技术可以制作双面电路，导热通孔有助于提高功率器件与热沉之间的热传导。(6)厚膜印刷和烧结工艺为加成工艺，易于控制材料和环境，整个生产过程不会产生废水。(7)厚膜电路的可靠性、耐久性和设计灵活性已被军事、汽车电子、航空航天等恶劣环境中的大量应用所证明。厚度增加的印刷导体的应用扩展了现有的厚膜技术，混合集成电路制造商可以利用现有的设备和专业技术人员来加工这些特殊的厚导体浆料。(8) 96%氧化铝导热率高，绝缘性能好，是一种性价比优异的基板材料。96%氧化铝的热膨胀系数(TCE)约为7.3× 10-6/℃,可与硅功率器件的TCE相匹配，有利于组装更大芯片时降低热应力。4电力线路用增稠导体浆料表2列出了大面积印刷厚膜导体用增稠导体浆料的品种和主要特性参数。这些浆料可以满足金属化块和焊盘图形的生产要求，约占178mm×127mm基板面积的90%。
金属粉末、有机载体体系和无机粘结相的选择和组合有利于保证烧结膜的致密结构。这种选择和组合将最大化浆料的电和热性能，并且不会影响其它物理性能。在大面积印刷时，这些特别设计的浆料可以干净地与屏幕分离，图形可以保持良好的外观和印刷分辨率。表2中的6004铜浆料是一种在氮气气氛中低温(600℃)烧结的电源电路用导体浆料，可用于制作通孔或可焊接导体层。另外两种“高温”烧结铜膏，即7731和7732，都是在氮气气氛下900℃烧成，形成的薄膜非常致密，具有良好的导热性和导电性。据说，为了获得这些特性，在浆料制备过程中，这两种铜浆料所用的金属粉末和粘结相的选择是非常严格的。当三次印刷/烘烤/燃烧所需的电源金属化层厚度小于或等于150μm时，推荐使用7731铜膏。732铜膏的研制成功，经过三次印刷/烘烤/烧制，使电源电路金属化层厚度增加到200μm(使用105目筛网)。两种铜导体材料均可焊接，与粗铝线(10密耳)的粘接性能优异。初始粘接强度达到500g，150℃/1000小时老化试验后粘接强度达到450g .非合金银浆7740在空气体中烧成，采用850℃标准烧成曲线。它可以与许多杜邦空气体燃烧厚膜电阻浆料兼容。这便于电源电路制造商使用相同的导体成分、基板和加工工艺来印刷散热垫、导电条、控制电路和电阻器端子。加厚型5膜导体的印刷工艺虽然加厚型导体的印刷工艺与标准厚膜工艺相似，但对于具体操作者来说，很多细节还是需要考虑的。如果电路有信号层，第一导体层可以用165目不渗透钢丝网印刷，乳胶掩膜厚度为20μm m，根据实际浆料成分，导体层烧结膜厚度在25 μm-35 μm之间，第一导体层印刷后，如果需要在某些地方加厚，方便在这些地方进行第二次印刷。根据所需的分辨率，选择较粗网目的屏幕。最大厚度丝网印刷推荐值为105目，乳胶掩膜厚度为70μm m，选择丝网后，加厚层厚膜印刷的关键条件是选择硬质刮刀(硬度计读数≥80)和最小刮刀压力。印刷第二层时，如果能从底部第一层导体的边缘划开，可以获得最大的表面平整度，也便于元件安装。建议厚膜依次采用印刷/烘烤/烧制工艺增厚，因为共烧金属会破坏烧制膜的致密度。表2表明，综合使用各种筛网可以形成最佳的图形分辨率和厚度。当基板只有一面印刷有大面积金属化层时，加厚金属化层的TCE与氧化铝基板的TCE不一致，可能导致基板弯曲。基板薄、金属化层厚或印刷面积大都会造成基板弯曲。曲率可以通过在衬底背面印刷薄层导体来控制。如果衬底需要背面金属化，其处理应该在第一层顶部导体被烧制之后进行。印刷丝网的选择取决于所需的薄膜厚度。加厚厚膜最重要的性能特点之一就是散热性好，因为加厚导体对功率器件产生的热量完全传导至关重要。该特性取决于烧制薄膜的组成和结构，也取决于印刷厚度。加厚的导体层可以横向散热。因此，在实际应用中，研究基片厚度和镀膜厚度的综合影响是一个重要的课题。美国杜邦公司已经与一个最终用户合作开始了这项工作。图2从结到散热器的热阻(Rthjs)
将两种厚度(25μm和150μm)的7731铜导体浆料印刷在两种厚度(0.38mm和0.63mm)的氧化铝基板的两面，形成四层金属化层。将25μm厚的7731铜导体膏印刷在每个氧化铝衬底的背面，并将具有增加的面积的硅功率器件直接结合到顶部导体层。然后，每个元件通过金属化的通孔与散热器结合，通孔可以依次接受热耦合。将电流施加到硅功率器件，测量其电学和温度特性，以便研究硅结和散热器之间的热传导特性。测试中，硅片结和氧化铝衬底的温度分别为140℃和100℃。这个值可以代表一个典型的应用。图2显示了硅结和散热器之间的计算热阻(Rthjs)。图2比较了相同条件下厚膜导体、IMS衬底和DBC衬底的热导率。对比使用的IMS额定峰值电压为3kV，铜导体层厚度为105μm，底板为2mm厚铝板。所用的DBC材料是200μm厚的铜箔，直接粘合在0.38mm厚的氧化铝基板的两面。图2中的数据表明，由于厚膜印刷导体厚度的增加，热导率得到了提高，也就是说，图中硅结到散热器的热阻(Rthis)降低了。研究表明，主要原因是导电铜层的水平导热效率得到了提高。图中数据还显示，在任何情况下，加厚厚膜铜导体的热性能都优于IMS，但略差于DBC。然而，7731加厚(15μm)铜导体的热性能非常接近于在0.38mm厚氧化铝基板上制造的200μm DBC金属化。图2中列出的数据尤其证明了氧化铝导热的有效性。如图2所示，尽管厚铜导体层的前表面(150μm)的厚度比DBC金属化(200μm)薄50μm，但后表面(25μm)的厚度比DBC薄175μm。正是基板和焊料层的良好导热性产生了良好的结果。因此，7731金属化层具有与大块铜(DBC)相同的热性能。图2中的结果还表明，氧化铝衬底是良好的导热材料，并且薄衬底实际上可以更有效地将热量消耗传导到散热器。结论在氧化铝上制备厚的厚膜金属化层为厚膜技术在电源电路中的应用提供了活力。发达国家开发了适用于电源电路的厚膜印刷铜和银导体。电源电路要求导体必须具有良好的印刷性能、良好的导热性、可焊性和可焊性。本文提到的新技术可以局部增加厚膜导体的厚度，在电路设计和生产成本控制方面具有很大的灵活性。厚膜技术的另一个特点是，在某些部分可以使用基板印刷薄的高密度信号控制电路，而在其他部分可以印刷用于电源电路组件的厚焊盘，以提供有效的散热。加厚厚膜技术以其独特的厚度控制、过孔互连的灵活性、标准的厚膜加工工艺以及与厚膜电阻的兼容性，开辟了未来基板技术的新路径，拓展了厚膜技术在功率电路领域的应用前景。
关键词TAG： 有色金属
