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摘要

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氧化鋁一直是傳統混合電路設計和制造的首選基板。它提供了正確電路操作所需的機械強度、電阻率和熱性能。然而，在過去的幾年里，我們經歷了混合技術向具有高度復雜和密集電路配置的電子設備的轉變。這些電子設備比以前的設計產生更多的功率和熱量。為了保持終端設備的最佳性能和功能，需要使用導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計工程師提供了替代傳統氧化鋁的可靠方法。

氮化鋁的使用也給厚膜供應商和電路制造商帶來了一系列不同的挑戰，同時創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。賀利氏開發了一種符合這一挑戰和高功率、高可靠性電路應用的性能要求的方法RoHS和REACH新型厚膜漿料的標準。此外，我們還開發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鍵性能。這包括導體的附著力、電阻值及其TCR。

關鍵詞

附著力、氮化鋁、可靠性、電阻、厚膜、TCR

一、 導言

近60年來，厚膜混合電路技術以基板和部件集成的形式出現。厚膜在較小的封裝中具有相似或優異的性能，具有較好的散熱優勢，而不是典型的覆銅板。傳統上，印刷混合電路的基板是氧化鋁。它成功地滿足了大多數功能操作要求：體積電阻率、高溫穩定性、低表面粗糙度、可接受的導熱性，以及各種材料（玻璃、金屬氧化物和貴金屬）的兼容性，用于制造導體、電阻器、電介質和玻璃釉。此外，它還提供了一個寬處理窗口，以最大限度地減少厚膜的性能變化。然而，為了提高設備性能，市場不斷需要功率密度更高、熱量更好的小型設備。為了有效地制造這些設備，熱導率必須高于氧化鋁基板。使用更具導熱性的氮化鋁基板，以滿足這一要求。如表12所示，氮化鋁的熱導率可比氧化鋁高7.5-10倍，同時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，這給厚膜供應商帶來了挑戰，特別是在附著力方面。氮化鋁的熱膨脹系數遠低于氧化鋁。厚膜電路中常用的氧化鋁為96%，其余以玻璃相為主。燒結時，厚膜漿中的玻璃與氧化鋁96瓷中的玻璃相形成鍵接，達到良好的附著力，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，零件燒制后可能會彎曲/或開裂。氮化鋁高于700°C在溫度下也會氧化。許多通常用于氧化鋁的玻璃會加速和增強氧化，產生游離氮，破壞薄膜，導致氣泡，直接影響附著力、導電性和電氣性能。通過開發一系列厚膜漿料產品，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，重點介紹幾種導體(銀、銀鈀、銀鉑、銅、金)和兩種電阻膏和玻璃釉。對于導體，我們將詳細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(相對濕度)。對金導體進行同樣的測試；然而，附著力將基于金絲鍵合。對于電阻漿料，我們將在可靠性測試后測量電阻變化和TCR(電阻溫度系數)，(電阻溫度系數)。

二、加工厚膜導體(銀、銀鈀)

在2"x2"的Maruwa氮化鋁(AlN-以下導體漿料印在基板上：CL80-11157(Ag)、C2360(6:1 Ag/Pd)。對兩個部件進行了初始和重新燃燒的附著力試驗。其余10個部件用于可靠性測試。其中5個用于150°C85用于老化，5用于85°C/85%RH試驗。

銀鈀導線的線徑為1.3 mil的280目/0.5 mil乳膠膜不銹鋼絲網采用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。在燒結爐中停留10分鐘°C峰值溫度。

圖1顯示了每個導體燒結的微觀結構SEM圖像。導體中的玻璃/金屬氧化物在導體與基板之間的界面上形成一層晶體，這將產生一種對粘合至關重要的機械粘合。CL80-11157(1a) 和 C2360(1b)，晶體的微觀結構非常相似。這是因為導體具有類似的玻璃和金屬氧化物化學性質。

圖1：氮化鋁厚膜導體截面

為了準備附著力測試樣品（圖2），將錫鉛絲焊接到每個燒結樣品上的80個 x 80 mil在導體焊盤上。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焊料可焊性試驗將導體和導線連接到導體焊盤

三、附著力性能評估

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

表2：導漿特性

圖3顯示了初始和重復燒結的附著力結果。對于大多數應用來說，超過4.0磅的初始附著力值被認為是可以接受的。正如預期的那樣，再次燒結后附著力降低。這可以歸因于各種因素：導體中玻璃成分的回流、玻璃/金屬氧化物與金屬顆粒反應方式的變化以及與氮化鋁基板氧化有關的化學反應。通常，再次燒結后，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。表3和表4分別說明150°C老化和85°C/85%相對濕度可靠性試驗結果。

圖3:導體附著力(初始和三次重復燒結)

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

表3：導體150°C老化后的附著力(lbs.)

表4：導體85°C/85%RH老化后的附著力(lbs.)

85°C/85%相對濕度研究結果(表4)表明所有導線的初始(1x燃燒)附著力超過4.0磅的目標值。第三，我們注意到雙85試驗后多次燒結后的附著力有所下降。

四、 金導體加工

在2“x2”的Maruwa氮化鋁(AlN-170)在基板上印一層C5730金導體。印刷、干燥和燒制試驗條件與前面討論的導體相同。燒成后，用1.25密耳金絲在2個樣品(30個拉拔樣品)上測量第一次燒成、3次燒成和5次燒成的金導體附著力。圖4顯示了金的微結構和引線鍵合。燒制導體橫截面4a表示。與之前的導體(圖1)大致相同，界面形成一層玻璃層，形成機械組合，有助于提高附著力值。圖4b顯示完整的導線鍵合，4c和4d顯示了4b楔形鍵合和球形鍵合的高倍視圖。粘結層干凈，無裂紋或分層跡象。在1x、3x、5x燃燒后，為了進行以下可靠性測試，還對兩個樣品進行了附著力測試：150°C和85°C在0、48、100、250、50000、250、500和1000小時內進行。

圖4：C氮化鋁上的5730金導體與金線鍵合SEM照片。

金導體屬性/性能評估

C5730金導體的粘度為280–380 Pa-s，使用Brookfield HBT粘度計在25°C溫度下使用6R杯，SC4-14號軸，在10rpm下測量。在12μm在標準化厚度下，固體含量為84–87%，電阻率<5.5毫歐/平方。附著力結果見圖5和圖6。一般來說，金線的粘結附著力>界面斷線12克是可取的。正如我們在圖5中所看到的，初始和再燒結后的附著力沒有統計差異。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

圖6:可靠性測試后C5730初始和重復燒結導體上的金絲拉力結果

圖6顯示了150°C老化、85°C/85%RH和-55–150°C熱循環可靠性研究產生的導線附著力。結果表明，初始、三次、五次的附著力沒有顯著差異。此外，1000小時老化后，1000小時85°C/85%RH1000次熱循環后的值實際上大于初始附著力。目標值為14-17克，遠高于12克。

六、 電阻器加工

氧化鋁開發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。與上述導體漿料相同的印刷、干燥和燒制條件。現有印刷電阻器C2360(銀/鈀)導體樣品。三次再燒和五次再燒試驗分別使用兩個樣品。可靠性測試六個樣品。150用兩個樣品°C老化，85°C/85%RH，兩個用于熱循環(-555°C–150°C)測試。

還有六個樣品印有玻璃釉漿(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多次燒結后使用2221電阻器IP9002釉后的電阻變化。正如預期的那樣，電阻隨著多次燒結而降低。我們還觀察到，印刷釉后，電阻變化是可預測和可再現的。

表6:電阻多次重燒變化

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在典型行業標準的10%范圍內，釉面電阻變化小于5%。同樣，500個熱循環后的變化也在目標限值內。

表8:電阻變化(150)°C老化)

表9:電阻變化(855)°C/85%相對濕度)

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下進行，冷TCR測量在-55°C下一步。在老化研究中，當使用玻璃釉時，兩個電阻器的熱量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%相對濕度)

八、結論

賀利氏已開發出氮化鋁基板的合規性RoHS和REACH包括銀、銀/鈀和金導體以及兩種與玻璃釉兼容的電阻漿。提供的數據清楚地表明，這些產品的性能特性與傳統的氧化鋁基板厚膜漿相似。對于大多數導體，可靠性測試前后測得的附著力值符合標準工業厚膜的要求。10歐姆和100歐姆電阻器與導體非常相似，可以產生良好的性能效果。這包括可重復生產的穩定電阻值和優點Sumida代理經過可靠性測試(無論是否有玻璃釉)，異常再燒性和可預測性TCR值。

目前，賀利氏是用來開發賀利氏的AlN基板材料如下表所列：

因此，該系列產品為應用氮化鋁來改善散熱提供了理想的解決方案。這解決了高密度汽車混合動力汽車、加熱器總成和工業問題LED照明需求和更多功率電子產品的應用。

參考文獻

【1】 R.G.Loasby和P.J.Holmes厚膜技術的發展(書體、書名、編輯)Keith Pitt厚膜技術手冊第二版。Keith Pitt Ed.Electrochemical Publications Limited，2005年，第一章，第23頁。

【2】馬魯瓦-http://www.maruwa-g.com/e/products/ceramic/ceramic-substrate-3.html

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