電路板被很多人譽(yù)為電子產(chǎn)品之母，它是計(jì)算機(jī)、手機(jī)等消費(fèi)電子產(chǎn)品的關(guān)鍵部件，在醫(yī)療、航空、新能源、汽車等行業(yè)有著廣泛應(yīng)用?？v觀發(fā)展簡(jiǎn)史，每一次技術(shù)進(jìn)步都直接或間接影響著全人類。在電路板誕生之前，電子設(shè)備都包含許多電線，它們不僅會(huì)糾纏在一起，占用大量空間，而且短路的情況也不罕見。這個(gè)問(wèn)題對(duì)于電路相關(guān)的工作人員來(lái)說(shuō)是個(gè)非常頭疼的問(wèn)題。
于是在1900-1920年的時(shí)候德國(guó)發(fā)明家阿爾伯特-漢森第一個(gè)提出PCB概念。他開創(chuàng)了使用的概念 “電線” 用于電話交換系統(tǒng), 金屬箔用于切割線路導(dǎo)體, 然后將石蠟紙粘在線路導(dǎo)體的頂部和底部, 并在線路交叉處設(shè)置過(guò)孔，實(shí)現(xiàn)不同層間的電氣互連，為PCB制造和發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。時(shí)間來(lái)到了1925年，來(lái)自美國(guó)的Charles Ducas提出了一個(gè)前所未有的想法，即在絕緣基板上印刷電路圖案，隨后進(jìn)行電鍍以制造用于布線的導(dǎo)體. 專業(yè)術(shù)語(yǔ)“PCB”由此而來(lái)，這種方法使制造電器電路變得更為簡(jiǎn)單。
1936年，英國(guó)的Paul Eisler因其第一個(gè)發(fā)表了薄膜技術(shù)，開發(fā)了第一個(gè)用于收音機(jī)的印刷電路板而被奉為“印刷電路之父”。他使用的方法與我們今天用于印刷電路板的方法非常相似。而在日本，宮本喜之助以噴附配線法“メタリコン法吹著配線?法(特許119384號(hào))”成功申請(qǐng)專利。而兩者中Paul Eisler 的方法與現(xiàn)今的印制電路板最為相似，這類做法稱為減去法，是把不需要的?屬除去；而Charles Ducas、宮本喜之助的做法是只加上所需的配線，稱為加成法。雖然如此，但因?yàn)楫?dāng)時(shí)的電?零件發(fā)熱量?，兩者的基板也難以配合使?，以致未有正式的使?，不過(guò)該技術(shù)也得到了飛速的進(jìn)步和發(fā)展。
Paul Eisler的技術(shù)發(fā)明被美國(guó)大規(guī)模用于制造二戰(zhàn)中使用的近炸引信。 同時(shí), 該技術(shù)廣泛應(yīng)用于軍用無(wú)線電。從此PCB板開始走上飛速發(fā)展與進(jìn)步的道路。1941年，美國(guó)在滑?上漆上銅膏作配線，以制作近接信管；1943年，美國(guó)?將該技術(shù)?量使?于軍?收?機(jī)內(nèi)；1947年，環(huán)氧樹脂開始?作制造基板。同時(shí)NBS開始研究以印刷電路技術(shù)形成線圈、電容器、電阻器等制造技術(shù)；1948年，美國(guó)正式認(rèn)可這個(gè)發(fā)明?于商業(yè)?途；1950年，?本使?玻璃基板上以銀漆作配線；和以酚醛樹脂制的紙質(zhì)酚醛基板（CCL）上以銅箔作配線；1951年，聚酰亞胺的出現(xiàn)，便樹脂的耐熱性再進(jìn)?步，也制造了聚亞酰胺基板；1953年，Motorola開發(fā)出電鍍貫穿孔法的雙?板。這?法也應(yīng)?到后期的多層電路板上；1960年，V. Dahlgreen以印有電路的?屬箔膜貼在熱可塑性的塑膠中，造出軟性印制電路板；1961年，美國(guó)的Hazeltine Corporation參考了電鍍貫穿孔法，制作出多層板；1967年，發(fā)表了增層法之?的“Plated-up technology”；1969年，F(xiàn)D-R以聚酰亞胺制造了軟性印制電路板；1979年，Pactel發(fā)表了增層法之?的“Pactel法”；1984年，NTT開發(fā)了薄膜回路的“Copper Polyimide法”；1988年，西門?公司開發(fā)了Microwiring Substrate的增層印制電路板；1990年，IBM開發(fā)了“表?增層線路”（Surface Laminar Circuit，SLC）的增層印制電路板；1995年，松下電器開發(fā)了ALIVH的增層印制電路板；1996年，東芝開發(fā)了Bit的增層印制電路板；當(dāng)今世界隨著集成電路技術(shù)的誕生，進(jìn)入先進(jìn)電子制造業(yè)的時(shí)代，PCB逐漸成為了行業(yè)必不可少的核心產(chǎn)品。集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展對(duì)于電路板逐漸提出了不同的性能要求。隨著電子設(shè)備不斷縮小，也使得機(jī)械制造的PCB制備工藝更高。目前市面上的PCB從材料大類上來(lái)分主要可以分為三種：普通基板、金屬基板、陶瓷基板。普通的基板就是我們平時(shí)看到的電腦里的主板手機(jī)里的主板，都是普通的環(huán)氧樹脂基板，優(yōu)點(diǎn)是便于設(shè)計(jì)成本低廉。
當(dāng)下，電子器件向大功率化、高頻化、集成化方向發(fā)展，其元器件在工作過(guò)程中產(chǎn)生大量熱量，這些熱量如不能及時(shí)散去將影響芯片的工作效率，甚至造成半導(dǎo)體器件損壞而失效因此，為保證電子器件工作過(guò)程的穩(wěn)定性，對(duì)電路板的散熱能力提出了更高的要求。傳統(tǒng)的普通基板和金屬基板不能滿足當(dāng)下工作環(huán)境下的應(yīng)用。陶瓷基板具有絕緣性能好、強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)小、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性能脫穎而出，是符合當(dāng)下高功率器件設(shè)備所需的性能要求。
目前常用的高導(dǎo)熱陶瓷粉體原料有氧化鋁（Al2O3）、氮化鋁（AlN）、氮化硅（Si3N4）、碳化硅（SiC）和氧化鈹（BeO）等。隨著國(guó)家大力發(fā)展綠色環(huán)保方向，由于氧化鈹有毒性逐漸開始退出歷史的舞臺(tái)。碳化硅又因?yàn)槠浣^緣性差，無(wú)法應(yīng)用在微電子電路中。而Al2O3、AlN、Si3N4陶瓷粉體具有無(wú)毒、高溫穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱性好，以及與Si、SiC和GaAs等半導(dǎo)體材料相匹配的熱膨脹系數(shù)，得到了廣泛推廣應(yīng)用。幾種粉體的熱導(dǎo)率和綜合評(píng)價(jià)如下表所示，目前主流用于制備陶瓷基板的粉體原料還是以氧化鋁和氮化鋁為主。
市場(chǎng)中粉體的制備方法主要有硅粉直接氮化法、自蔓延高溫合成法、碳熱還原法。（1）硅粉直接氮化法和自蔓延高溫合成法是比較主流的方法，但由于反應(yīng)溫度接近甚至超過(guò)原料的熔點(diǎn)，往往造成產(chǎn)物形貌不規(guī)則、ɑ相含量低、團(tuán)聚嚴(yán)重，需要進(jìn)一步破碎，在后續(xù)處理中容易引入其他雜質(zhì)；（2）碳熱還原法是具有原料豐富、工藝簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，非常適合大批量生產(chǎn)；流延成型技術(shù)是標(biāo)準(zhǔn)的濕法成型工藝，可一次性成型制備厚度范圍在幾十微米到毫米級(jí)別的陶瓷生坯，并通過(guò)進(jìn)一步的層壓、脫脂、燒結(jié)形成陶瓷基片，主要應(yīng)用于電子基板、多層電容器、多層封裝、壓電陶瓷等。與傳統(tǒng)的粉末冶金干法制備工藝相比，流延工藝制備出的陶瓷薄片均勻性好、通透性高，在要求比較高的集成電路 領(lǐng)域深受歡迎。陶瓷基板常用的成型方法主要以流延成型為主。流延工藝的流程圖如下所示：
流延漿料是流延成型的重要組成部分，根據(jù)溶劑性質(zhì)的不同，流延漿料又分為有機(jī)流延成型工藝和水基流延成型工藝。（1）陶瓷粉體是流延漿料的主相，是坯片的主要成分， 影響著流延成品的導(dǎo)熱性、電阻率、介電常數(shù)、化學(xué)穩(wěn)定 性以及機(jī)械強(qiáng)度。陶瓷粉體的顆粒尺寸、粒度分布以及粉體的結(jié)晶形貌都對(duì)流延工藝以及流延膜的質(zhì)量有較大影響， 因此在選擇粉體的時(shí)候需要考慮以下特征：化學(xué)純度、顆粒尺寸、粉體形貌；（2）粘結(jié)劑作為流延漿料體系的唯一連續(xù)相，它能包裹住粉料顆粒，并固化形成三維立體結(jié)構(gòu)，增加流延膜的強(qiáng)度。粘結(jié)劑和增塑劑共同作用可以提高生坯片的強(qiáng) 度，并改善韌性與延展性，便于生坯片與載體膜的脫離以及后續(xù)加工；（3）粉體顆粒在漿料中的分散性和均勻性與流延膜的 品質(zhì)息息相關(guān)。解決粉體團(tuán)聚的主要方式有物理分散與化學(xué)分散，而在漿料中加入分散劑是流延技術(shù)中最常用的手段；（4）除上述成分外，流延漿料還會(huì)加入一些功能性添加 劑來(lái)改善流延膜制備過(guò)程產(chǎn)生的缺陷，如消泡劑、潤(rùn)滑 劑、均質(zhì)劑、絮凝劑、控流劑等；燒結(jié)是利用熱能使粉末坯體致密化的技術(shù)，其具體的定義是指多孔狀態(tài)的坯體在高溫條件下，表面積減小，孔隙率降低，力學(xué)性能（機(jī)械強(qiáng)度等）提高的致密化過(guò)程。坯體在燒結(jié)過(guò)程中要發(fā)生一系列的物理化變化，如膨脹，收縮，氣體的產(chǎn)生，液相的出現(xiàn)，舊晶相的消失，新晶相的形成等。在不同的溫度，氣氛條件下，所發(fā)生變化的內(nèi)容與程度也不相同，從而形成不同的晶相組成和顯微結(jié)構(gòu)，決定了陶瓷制品不同的質(zhì)量和性能。
燒結(jié)可分為有液相參加的燒結(jié)和純固相燒結(jié)兩類。燒結(jié)過(guò)程對(duì)陶瓷生產(chǎn)具有很重要的意義。為降低燒結(jié)溫度，擴(kuò)大燒成范圍，通常加入一些添加物作助熔劑，形成少量液相，促進(jìn)燒結(jié)。陶瓷燒結(jié)是陶瓷加工中的一種重要工藝，其過(guò)程分為三個(gè)階段：預(yù)燒階段、燒結(jié)階段和冷卻階段。預(yù)燒階段：在這個(gè)階段，陶瓷制品會(huì)被放入爐子中進(jìn)行預(yù)燒處理，用來(lái)去除陶瓷中的水分和有機(jī)物質(zhì)。高溫下，水分和有機(jī)物質(zhì)會(huì)被分解并釋放出來(lái)，讓制品干燥且有機(jī)物質(zhì)燃燒殆盡。這一階段的主要目的是為了減少燒結(jié)時(shí)產(chǎn)生的氣泡等缺陷。燒結(jié)階段：在預(yù)燒之后，制品會(huì)被加熱到高溫下進(jìn)行燒結(jié)。這個(gè)階段是陶瓷工藝中最關(guān)鍵的一步，也是最困難的一步。在高溫下，陶瓷顆粒會(huì)開始熔化和結(jié)合在一起，形成一個(gè)堅(jiān)固的陶瓷結(jié)構(gòu)。這一階段需要控制好溫度、時(shí)間和壓力等因素，使得陶瓷能夠充分結(jié)合，而不會(huì)出現(xiàn)燒結(jié)不完全或者表面開裂等缺陷。冷卻階段：在燒結(jié)完成后，制品需要進(jìn)行冷卻，使得陶瓷結(jié)構(gòu)能夠逐漸穩(wěn)定下來(lái)。如果制品過(guò)早地被取出爐子，容易導(dǎo)致熱應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋。因此，一般會(huì)采取緩慢冷卻的方式，讓制品溫度逐漸降下來(lái)。在冷卻過(guò)程中，還需要將爐門緩慢地打開，逐漸將爐內(nèi)壓力和爐外壓力平衡，以避免制品瞬間受到外界壓力而發(fā)生破裂。高導(dǎo)熱性非金屬固體通常具備以下４個(gè)條件：構(gòu)成的原子要輕、原子間的結(jié)合力要強(qiáng)、晶格結(jié)構(gòu)要單純、晶格振動(dòng)的對(duì)稱性要高。陶瓷材料的導(dǎo)熱性的影響因素：（1）原料粉體，原料粉體的純度、粒度、物相會(huì)對(duì)材料的熱導(dǎo)率、力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。由于非金屬的傳熱機(jī)制為聲子傳熱，當(dāng)晶格完整無(wú)缺陷時(shí)，聲子的平均自由程越大，熱導(dǎo)率越高，而晶格中的氧往往伴隨著空位、位錯(cuò)等結(jié)構(gòu)缺陷，顯著地降低了聲子的平均自由程，導(dǎo)致熱導(dǎo)率降低；（2）在燒結(jié)過(guò)程，添加的燒結(jié)助劑中可以與陶瓷粉體表面的原生氧化物發(fā)生反應(yīng)，形成低熔點(diǎn)的共晶熔液，利用液相燒結(jié)機(jī)理實(shí)現(xiàn)致密化。然而，燒結(jié)助劑所形成的晶界相自身的熱導(dǎo)率較低，對(duì)陶瓷熱導(dǎo)率具有不利影響，特別地，如氮化硅陶瓷常用的Al2O3燒結(jié)助劑，在高溫下會(huì)與氮化硅和其表面氧化物形成SiAlON固溶體，造成晶界附近的晶格發(fā)生畸變，對(duì)聲子傳熱產(chǎn)生阻礙，從而大幅度降低氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率。因此選用適合的燒結(jié)助劑，制定合理的配方體系是提升氮化硅熱導(dǎo)率的關(guān)鍵途徑。目前導(dǎo)熱的陶瓷基板可分為HTCC（高溫共燒多層陶瓷）、LTCC（低溫共燒陶瓷）、DBC（直接鍵合銅陶瓷基板） 和DPC（直接鍍銅陶瓷基板）、活性金屬纖焊陶瓷基板（AMB）等幾種形式，其特點(diǎn)如下。
對(duì)于大功率器件而言，基板除具備基本的機(jī)械支撐與電互連功能外，還要求具有高的導(dǎo)熱性能。因?yàn)镠TCC/LTCC的熱導(dǎo)率較低，因此在高功率的器件以及IGBT模組的使用場(chǎng)景中散熱基板目前主要以DBC、DPC、AMB三種金屬化技術(shù)為主。
DPC技術(shù)是先其制作首先將陶瓷基片進(jìn)行前處理清洗，利用真空濺射方式在基片表面沉積 Ti/Cu 層作為種子層，接著以光刻、顯影、刻蝕工藝完成線路制作，最后再以電鍍/化學(xué)鍍方式增加線路厚度，待光刻膠去除后完成基板制作。
DPC 技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1) 低溫工藝（300 ℃以下），完全避免了高溫對(duì)材料或線路結(jié)構(gòu)的不利影響，也降低了制造工藝成本；(2) 采用薄膜與光刻顯影技術(shù)，使基板上的金屬線路更加精細(xì)（線寬尺寸 20~30 m，表面平整度低于 0.3 m，線路對(duì)準(zhǔn)精度誤差小于±1%），因此 DPC 基板非常適合對(duì)準(zhǔn)精度要求較高的電子器件封裝。 DBC是陶瓷基片與銅箔在高溫下（1065℃）共晶燒結(jié)而成，最后根據(jù)布線要求，以刻蝕方式形成線路。由于銅箔具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱能力，而氧化鋁能有效控制 Cu-Al2O3- Cu 復(fù)合體的膨脹，使 DBC 基板具有近似氧化鋁的熱膨脹系數(shù)。
DBC 具有導(dǎo)熱性好、 絕緣性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于 IGBT、LD 和 CPV 封裝。DBC 缺點(diǎn)在于， 其利用了高溫下 Cu 與 Al2O3間的共晶反應(yīng)，對(duì)設(shè)備和工藝控制要求較高，基板成本較高；由于 Al2O3 與 Cu 層間容易產(chǎn)生微氣孔，降低了產(chǎn)品抗熱沖擊性；由于銅箔在 高溫下容易翹曲變形。
AMB 技術(shù)是指，在 800℃左右的高溫下，含有活性元素 Ti、Zr 的 AgCu 焊料在陶瓷和金屬的界面潤(rùn)濕并反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬異質(zhì)鍵合的一種工藝技術(shù)。AMB陶瓷基板，首先通過(guò)絲網(wǎng)印刷法在陶瓷板材的表面涂覆上活性金屬焊料，再與無(wú)氧銅層裝夾，在真空釬焊爐中進(jìn)行高溫焊接，然后刻蝕出圖形制作電路，最后再對(duì)表面圖形進(jìn)行化學(xué)鍍。
AMB工藝是金屬釬料實(shí)現(xiàn)氮化鋁與無(wú)氧銅的高溫結(jié)合，以結(jié)合強(qiáng)度高、冷熱循環(huán)可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，不僅具有更高的熱導(dǎo)率、更好的銅層結(jié)合力，而且還有熱阻更小、可靠性更高等優(yōu)勢(shì)。AMB陶瓷基板缺點(diǎn)在于工藝的可靠性很大程度上取決于活性釬料成分、焊工藝、舒焊層組織結(jié)構(gòu)等諸多關(guān)鍵因素，工藝難度大，而且還要兼顧成本方面的考慮。2.4 陶瓷基板及金屬化涉及重點(diǎn)設(shè)備陶瓷粉體制成陶瓷基板，再通過(guò)金屬化工藝進(jìn)行線路的刻蝕，工藝流程繁多且復(fù)雜，涉及相關(guān)設(shè)備眾多，例如球磨機(jī)、真空脫泡機(jī)、流延機(jī)、等靜壓機(jī)、切片機(jī)、絲網(wǎng)印刷、激光打孔、排膠燒結(jié)爐、鍍膜設(shè)備、刻蝕機(jī)、電鍍機(jī)，以及檢測(cè)所需的測(cè)厚儀、粘度計(jì)、紅外光譜儀、導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量?jī)x等等相關(guān)設(shè)備。
返回列表
網(wǎng)站首頁(yè)
產(chǎn)品中心
關(guān)于金瑞欣
電話咨詢