陶瓷基板是常用的一种电子封装基片材料,是指铜箔在高温下直接键合到氧化铝(Al2O3)或氮化铝(AlN)陶瓷基片表面上的特殊工艺板,具有立体布线密度高、介电常数低、散热性能优越、电磁屏蔽效果好等优良性能,基本上能满足微电子器件封装的一切性能要求,被应用于航空、航天和**工程的高可靠、高频、耐高温、强气密性的产品封装上。
Al2O3陶瓷是一种综合性能较好的陶瓷基片材料,具有价格低廉,制作和加工技术成熟的优势,因此应用非常多,占陶瓷基板材料的90%。与Al2O3陶瓷相比,AlN陶瓷的热导率更高,与Si的热膨胀系数更匹配,介电常数更低,适用于高功率、多引线和大尺寸芯片,被认为是新一代高集成度半导体基片和电子器件封装的理想材料。
陶瓷基板的应用
01 陶瓷基板在芯片当中的应用
由于陶瓷基板良好的导热性能,多被应用于LED的芯片中,除此之外,在大功率电力半导体模块、半导体致冷器、电子加热器、汽车电子,航天航空、*用电子组件及太阳能电池板组件等电子设备中也被应用。
02 AlN陶瓷基板在三代半导体的应用
IGBT是现代电子电力器件中的主导型器件,是国际上公认的电子电力技术第三次**具特性的产品,AlN陶瓷基板在热特性方面具有非常高的热导率,散热快、高电绝缘性;在应力方面,热膨胀系数与硅接近,整个模块内部应力较低;又具有无氧铜的高导电性和优异的焊接性能,是IGBT模块封装的关键基础材料,应用于轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域。
03 Al2O3陶瓷基板在电子电力领域的应用
在电子电力领域,比如功率开关电源、电力驱动等,需要介质陶瓷基板来实现更好的导热性能,防止电流烧坏和短路。
04 Al2O3陶瓷共烧板在锂电池行业的应用
随着人工智能和环保的推进,汽车行业也推出电力轿车,主要是通过电池蓄电,采用陶瓷基板做的锂电池可以实现更好的电流和散热功能,促进新能源汽车的市场需求。
05 陶瓷基板在集成电路当中的应用
随着集成电路精密化、微型化特征的发展,小尺寸的陶瓷基板芯片(小于3mm*3mm)通过技术也能实现小尺寸集成电路的封装,因此对于集成电路的应用也越来越多。
加工方式
为实现电子系统的高密度互联,通常需要在陶瓷基板表面加工*品质孔。据统计,陶瓷基板的加工成本占到陶瓷材料制备成本的1/3-2/3。然而,陶瓷属于典型的硬脆难加工材料,其极高的硬度与脆性严重限制了常规加工技术的应用。激光加工技术,以其独特的无接触式加工机制,成为以陶瓷为例的硬脆材料*品质加工的推荐方案之一。
激光加工孔分为单孔和群孔两种方式,分别有不同的特征评价:
激光加工单孔的特征评价
对于单孔的加工,尺寸、质量和效率是三个主要关注点。
➤尺寸:表现为极限值的获得。对于电子陶瓷基板表面的孔,主要包括极小的孔径、极大的孔深、极大的深径比等。
➤形貌:可分为定量和定性评价两种。其中,定量分析也表现为极限值的获得,包括极大的孔口圆度、极小的孔锥度等;对于定性分析,包括孔的表面形貌特征,如孔口圆度、孔口表面喷溅物、孔口表面热影响区和孔口表面微裂纹,及孔的侧壁形貌特征,如孔的侧壁表面形貌(含表面微裂纹)、侧壁重铸层和侧壁热影响区。
➤效率:当然是极大值。
激光加工群孔的特征评价
对于群孔的加工,也包含尺寸、质量和效率三个关注点。
➤尺寸:依然表现为极限值的获取。对于电子陶瓷基板表面的孔,主要包括群孔直径高一致性、群孔深度高一致性、群孔深径比高一致性、群孔孔边间距极小值、群孔定位精度极小值和群孔位置精度极小值等。
➤形貌:定量分析包括群孔圆度高一致性、群孔锥度高一致性;对于定性分析,主要涉及群孔加工的样片裂纹(表面和内部)、崩裂等。
➤效率:依然是极大值
激光加工微孔的尺寸和形貌特征的评价
(a)微孔尺寸特征;(b)微孔形貌特征
对激光加工孔的形貌特性质量的高追求在一定程度上表现为对孔*品质加工的要求。进一步地,对于电子陶瓷基板孔的*品质加工在一定程度上决定着电子器件的高性能。
电子陶瓷基板表面的孔数量庞大,一块基板表面即包含成百上千个孔,且随着对高密度互联的需求,孔的数量增多,孔边间距进一步缩小。再者,孔的直径和深度跨度均从几十微米到几百微米甚至达到毫米量级。因此,对于电子陶瓷基板表面的孔,其表面形貌质量可以分为单孔形貌质量和群孔形貌质量两个方面,并根据孔径、孔深等的差异,分别采取激光直冲加工和旋切加工的不同加工策略。此外,为了进一步提升孔的加工质量,还可以辅助以水环境等加工,统一称为激光复合加工。
形貌特征及调控策略
单孔形貌特征及其调控策略
激光加工
对于激光加工单孔形貌,首先要依据孔径、孔深等尺寸特征确定采用直冲式加工还是旋切式加工的策略。此后,无论采用何种加工策略,其研究内容均为激光高能场与材料的相互作用机制进而诱导的激光加工参数与单孔形貌质量之间的关系。对于直冲加工,激光加工参数主要包括脉冲宽度、激光波长、单脉冲能量、脉冲数、重复频率、偏振特性等,对于旋切加工,激光加工参数还包括扫描策略及其参数等。研究目标在于,激光加工参数与形貌特征参量间有规律的,明确其影响规律;无规律的,明确其影响机制,进而指导加工。
激光复合加工
近些年来,随着对孔加工尺寸、形貌及效率的更高要求,单一激光并不能很好地满足很多实际的加工需求,尤其对于硬脆等难加工材料,因此,激光复合加工策略应运而生,如激光-电解复合加工、激光-水导复合加工、激光溶液辅助加工(包括样片在溶液下即溶液环境加工和溶液持续喷溅在样片表面即溶液辅助加工)等。对于电子陶瓷基板表面孔加工,主要涉及的是激光溶液环境或溶液辅助的激光复合加工策略。其研究主要涉及激光多能场耦合机制及其与材料的相互作用机制等。
群孔形貌特征及其调控策略
对于激光加工群孔形貌,首先要保证单孔形貌质量,再者,还要考虑如群孔圆度一致性、群孔锥度一致性及群孔加工的样片裂纹(表面和内部)、崩裂等问题。其加工策略也包含激光加工和激光复合加工,且复合加工主要关注点为如何避免加工中的热量累积进而导致的样片裂纹和崩裂。进一步地,对于电子陶瓷基板表面孔加工,激光群孔加工的*品质是其面向应用的必然。
技术成果转化
激光电子陶瓷基板表面孔加工技术是由西安交通大学梅雪松教授团队的研究课题,团队目前共有23人,正高级8人,副高级10人,助理教授4人,高级工程师1人,包括长江学者特聘教授1人,青年长江学者1人,国家优*青年基金获得者1人,香江学者2人。博士/硕士研究生(含国外留学生)180余人。
团队长期致力于激光精密制造技术及其装备的研究,具体包括超快激光加工理论、激光微纳制造和高*激光制造装备等。曾获2020年度国家科学技术进步二等奖、2021年度陕西省技术发明一等奖、2014年高等学校科学技术进步一等奖等。团队先后主持国家重点研发计划、LJ重大专项、装备预研重点基金、国家自然科学基金重点项目等多项国家重大科研项目,融合激光加工和智能制造技术,发展了硬脆材料的微细精密加工工艺与装备等一系列关键技术。梅雪松教授团队作为无锡超通智能制造技术研究院有限公司强有力的技术支持,已经完成技术转移,相关产品也已获得应用。
(技术转化部分产品展示)
激光电子陶瓷基板表面孔加工技术虽然已经在航空航天、民用微电子等领域有很广阔的应用,但是依然存在很多问题。无论是对于尺寸还是形貌,研究较成熟的还均为针对单孔的加工技术,而该项技术的实际应用,更需要的是解决群孔的加工,尤其是群孔加工中的高一致性、高定位精度、高重复定位精度、高效率等问题。为了解决这些问题,从激光光源、光束传输/聚焦的稳定性,到光机电协同技术的精密运动控制系统,进而到*终设备的高稳定性等均需要保证,为我国微电子工业的快速发展打下坚实的基础。
