Keraaminen substraatti on erityinen levytyyppi, joka on valmistettu liimaamalla kuparifolio suoraan oksidin tai keraamisen levyn pintaan korkeassa lämpötilassa. Kupari liitetään keraamiseen korkeassa lämpötilassa, joten metalli ja keraaminen muodostavat vakaan pohjan virtapiireille.
a. Niillä on suuri mekaaninen lujuus. Ne voivat pitää osia ja toimia myös tukirakenteina.
b. Ne on helppo työstää. Ne säilyttävät tarkat mitat. Niitä voidaan valmistaa monikerroksisina.
c. Niiden pinta on sileä. Ne eivät vääntyile, taivu tai niissä ei ole pieniä halkeamia.
a. Niillä on korkea eristysresistanssi ja korkea läpilyöntijännite. Tämä suojaa virtapiirejä oikosululta ja suurjännitevaurioilta.
b. Niiden dielektrisyysvakio ja dielektrinen häviö ovat alhaiset. Tämä auttaa signaaleja kulkemaan pienemmällä häviöllä.
c. Niiden suorituskyky pysyy vakaana korkeassa lämpötilassa ja korkeassa kosteudessa. Tämä auttaa varmistamaan luotettavuuden kovissa käyttöolosuhteissa.
a. Niiden lämmönjohtavuus on korkea. Tämä auttaa siirtämään lämpöä pois kuumista osista.
b. Niiden lämpölaajenemiskerroin voi vastata niihin liittyviä materiaaleja, erityisesti piitä. Tämä vastaavuus vähentää jännitystä osien lämmetessä ja jäähtyessä.
c. Niiden lämmönkestävyys on hyvä. Ne pysyvät vakaina korkeassa lämpötilassa.
a. Ne ovat kemiallisesti vakaita. Ne on helppo metalloida. Piirikuviot tarttuvat niihin hyvin.
b. Ne eivät ime kosteutta. Ne kestävät öljyn ja kemikaalien vaikutusta. Ne vapauttavat vain vähän säteilyä.
c. Käytetyt materiaalit ovat vaarattomia eivätkä myrkyllisiä. Niiden kiderakenne ei muutu käyttölämpötila-alueella.
d. Raaka-aineita on runsaasti. Teknologia on kypsää. Niitä on helppo valmistaa ja niiden hinta on alhainen.
Ennen keramiikan polttamista on neljä yleistä muokkausmenetelmää. Nämä ovat jauhepuristus (joka voi olla muottiinpuristus tai isostaattinen puristus), puristaminen, teippivalu ja ruiskupuristus. Näistä menetelmistä nauhavalua on käytetty viime vuosina useammin LSI-paketeissa ja hybridipiirien substraateissa, koska sillä on helpompi valmistaa monia kerroksia ja sen tuotantotehokkuus on suurempi.
Yleisiä prosessireittejä ovat nämä kolme:
- Kerrosten pinoaminen - kuumapuristus - sideaineen poistaminen - peruslevyn polttaminen - piirikuvioiden muodostaminen - piirin polttaminen.
- Kerrosten pinoaminen - piirikuvion tulostaminen pinnalle - kuumapuristus - sideaineen poistaminen - yhteispalaminen.
- Tulosta piirikuvio - pino - kuumapuristus - poista sideaine - rinnakkaispoltto.
Paksukalvomenetelmässä johtimet (piirijäljet) ja vastukset muodostetaan keraamiselle materiaalille silkkipainamalla. Tulostuksen jälkeen osat sintrataan piirin ja kontaktityynyjen muodostamiseksi. Painetun metallin kiinnittämiseen käytettävät sideaineet ovat lasityyppisiä, oksidityyppisiä ja lasi-oksidityyppisiä.
Ohutkalvoissa käytetään tyhjiömenetelmiä, kuten haihduttamista, ionipinnoitusta tai sputterointia, metallin levittämiseen. Koska ohutkalvopäällystysmenetelmässä metalli kerrostuu kaasufaasista, periaatteessa mitä tahansa metallia voidaan kerrostua. Myös mikä tahansa substraatti voidaan periaatteessa metalloida tällä tavoin. Metallikalvon ja keraamisen alustan lämpölaajenemisen on kuitenkin vastattava mahdollisimman hyvin toisiaan. On myös tärkeää lisätä metallikerroksen tarttuvuutta keraamiseen.
Ennen polttoa tulenkestävät metallipastat, jotka sisältävät Mo:ta, W:tä ja vastaavia metalleja, painetaan seulapainatuksella polttamattomille keraamisille levyille. Tämän jälkeen pino poistetaan hionta ja poltetaan niin, että keramiikka ja metalli muodostavat yhden yhtenäisen rakenteen. Menetelmällä on seuraavat ominaisuudet:
■ Sillä voidaan muodostaa erittäin hienoja piirilinjoja, ja sillä on helppo tehdä useita kerroksia, joten tiheä johdotus on mahdollista.
■ Koska eriste ja johdin on muodostettu yhdessä, pakkausten hermeettinen tiivistäminen on mahdollista.
■ Valitsemalla oikea koostumus, muodostuspaine ja sintrauslämpötila voidaan hallita sintrauskutistumaa. Erityisesti kun valmistetaan substraatti, jonka kutistuma tasossa on nolla, tämä mahdollistaa käytön BGA-, CSP- ja paljaiden sirujen tiheissä pakkauksissa.
a. Raaka-aine: Al₂O₃ valmistetaan usein käyttämällä
Bayerin prosessi. Tässä menetelmässä raaka-aineena käytetään bauksiittia, joka sisältää hydratoituneita alumiinioksideja ja niihin liittyviä yhdisteitä.
b. Tekeminen: Al₂O₃-keramiikka muodostetaan yleensä pinoamalla polttamattomia levyjä. Usein käytetään sideainetta, kuten polyvinyylibutyraalia (PVB). Polttolämpötila vaihtelee lisättävien sintrausaineiden mukaan ja on yleensä 1550-1600 °C. Al₂O₃:n metallointimenetelmiä ovat pääasiassa paksukalvo- ja rinnakkaispolttomenetelmät. Pastat ja prosessitekniikka ovat kehittyneitä. Ne täyttävät nykyään monia sovellustarpeita.
c. Sovellukset: Integroitujen hybridipiirien substraatit, LSI-pakettien substraatit ja monikerroksisten piirien substraatit.
Muliitti on yksi Al₂O₃-SiO₂-järjestelmän vakaimmista kiteisistä faaseista. Al₂O₃:een verrattuna mullitilla on hieman alhaisempi mekaaninen lujuus ja alhaisempi lämmönjohtavuus, mutta sen dielektrisyysvakio on alhaisempi. Tämä pienempi dielektrisyysvakio voi auttaa parantamaan signaalin nopeutta. Sen lämpölaajenemiskerroin on myös alhainen, mikä vähentää asennettuun LSI:hen kohdistuvaa lämpörasitusta. Myös paisuntaero johtaviin metalleihin, kuten Mo ja W, on pienempi, joten rinnakkaispoltto aiheuttaa vähemmän jännitystä metallin ja keraamisen aineen välillä.
a. Raaka-aine: AlN ei ole luonnollinen mineraali. Se on ihmisen valmistama materiaali, joka syntetisoitiin ensimmäisen kerran 1800-luvulla. Tyypilliset AlN-jauheet valmistetaan pelkistysnitridoimalla tai suoralla nitridoimalla. Pelkistysnitridointimenetelmässä Al₂O₃:sta lähdetään liikkeelle ja käytetään erittäin puhdasta hiiltä sen pelkistämiseen, minkä jälkeen se reagoi typen kanssa muodostaen AlN:ää. Suorassa nitridointimenetelmässä Al-jauhe reagoi N₂:n kanssa muodostaen suoraan AlN:ää.
b. Tekeminen: Al₂O₃-substraateille käytettyjä samoja muokkausmenetelmiä voidaan käyttää AlN:lle. Eniten käytetty menetelmä on polttamattomien levyjen pinoaminen. Tätä varten AlN-jauhe, orgaaniset sideaineet, liuotin ja pinta-aktiivinen aine sekoitetaan keraamisen lietteen valmistamiseksi. Liete valetaan teippivaluna, pinotaan, kuumapuristetaan, poistetaan karsta ja poltetaan sitten AlN-alustan valmistamiseksi.
c. AlN-alustan ominaisuudet: AlN:n lämmönjohtavuus on yli kymmenen kertaa suurempi kuin Al₂O₃:n. Sen lämpölaajenemiskerroin (CTE) vastaa piitä. Al₂O₃:een verrattuna AlN:llä on suurempi eristysresistanssi ja suurempi läpilyöntijännite. Sen dielektrisyysvakio on pienempi. Nämä ominaisuudet tekevät AlN:stä erittäin arvokkaan pakkaussubstraatin.
d. Sovellukset: Käytetään VHF-kaistan tehovahvistinmoduuleissa, suuritehoisissa laitteissa ja laserdiodien substraateissa.
a. Raaka-aine: SiC ei ole luonnollinen mineraali. Sitä valmistetaan sekoittamalla piidioksidia, koksia ja hieman suolaa jauheiksi. Seos kuumennetaan grafiittiuunissa yli 2000 °C:n lämpötilassa, jolloin se reagoi ja muodostaa α-SiC:tä. Tämän jälkeen SiC voidaan puhdistaa sublimoimalla, jolloin saadaan tummanvihreä monikiteinen lohko.
b. Tekeminen: SiC:llä on erittäin korkea kemiallinen ja terminen stabiilisuus, joten tavanomaisilla polttomenetelmillä sitä on vaikea tiivistää. Tarvitaan sintrausapuvälineitä ja erityisiä polttomenetelmiä. Yleisesti käytetään tyhjiökuumapuristusta.
c. SiC-ominaisuudet: SiC:n keskeinen ominaisuus on sen erittäin suuri lämpödiffuusiokerroin. Se voi olla jopa suurempi kuin kuparin. Sen lämpölaajeneminen on lähempänä piitä. SiC:llä on kuitenkin joitakin haittapuolia. Sen dielektrisyysvakio on suhteellisen korkea, eikä sen läpilyöntijännite ole yhtä hyvä kuin joidenkin muiden keraamisten materiaalien.
d. Sovellukset: SiC-alustoja käytetään silloin, kun tarvitaan suurta lämmön leviämistä ja kun jännite ei ole korkea. Niitä käytetään VLSI-lämmönsiirtopaketeissa, suurnopeus- ja integrointilogiikan LSI-piireissä, joissa on jäähdytyslevyjä, suurissa tietokoneissa ja optisen viestinnän laserdiodialustoissa.
BeO:n lämmönjohtavuus on moninkertainen Al₂O₃:n lämmönjohtavuuteen verrattuna. Se toimii hyvin suuritehoisissa piireissä. Sen dielektrisyysvakio on alhainen, joten se soveltuu korkeataajuuspiireihin. BeO-alustat valmistetaan yleensä kuivapuristamalla. Niitä voidaan valmistaa myös polttamattomalla levyrakenteella, johon on lisätty pieniä määriä MgO:ta tai Al₂O₃:ta. Koska BeO-jauhe on myrkyllistä, BeO-tuotteet aiheuttavat ympäristö- ja terveysongelmia. Japanissa BeO-alustan tuotanto ei ole sallittua, ja BeO:ta on tuotava esimerkiksi Yhdysvalloista.
Rakenteen ja valmistusmenetelmien perusteella keraamiset substraatit voidaan ryhmitellä HTCC-, LTCC-, TFC-, DBC-, DPC- ja niin edelleen. Keraamisia substraatteja käytetään yhä enemmän elektroniikkapakkauksissa ja tehoelektroniikassa, kuten IGBT:ssä (eristetty portti-bipolaaritransistori), LD:ssä (laserdiodi), suuritehoisissa LED:issä ja CPV:ssä (konsentraattorivalosähkö), koska niiden lämmönjohtavuus, lämmönkestävyys, eristävyys, alhainen lämpölaajeneminen ja laskevat kustannukset ovat hyviä.
Yleisiä keraamisia perusmateriaaleja ovat BeO, Al₂O₃, AlN ja Si₃N₄. Näistä Si₃N₄:llä on erittäin hyvä sähköinen eristys ja kemiallinen stabiilisuus. Sillä on myös hyvä lämmönkestävyys ja korkea mekaaninen lujuus. Sitä voidaan käyttää suuren tiheyden ja korkean integraation piirilevyissä.
HTCC on korkeassa lämpötilassa poltettu keraaminen substraatti. HTCC:n valmistamiseksi ensin keraaminen jauhe, kuten Al₂O₃ tai AlN, sekoitetaan orgaanisen sideaineen kanssa. Seoksesta tehdään tahna, joka muotoillaan sitten levyiksi talttausterällä tai vastaavilla menetelmillä. Kuivatut levyt muuttuvat vihreiksi kappaleiksi. Läpivientejä varten porataan reikiä ja johdinpastat painetaan silkkipainolla johdotusta ja läpivientien täyttämistä varten. Tämän jälkeen vihreät levyt pinotaan ja asetetaan noin 1600 °C:n korkeassa lämpötilassa olevaan uuniin sintrausta varten. Koska sintrauslämpötila on korkea, johtavien metallien valikoima on rajallinen. Käytetään metalleja, joilla on korkea sulamispiste mutta heikompi johtavuus, kuten volframia, molybdeenia ja mangaania. Kustannukset ovat korkeat, ja lämmönjohtavuus on noin 20-200 W/(m-°C).
LTCC on matalassa lämpötilassa poltettu keraaminen. Sen valmistusvaiheet ovat samanlaiset kuin HTCC:n. Erona on, että Al₂O₃-jauhe sisältää 30-50% massaltaan matalan sulamispisteen lasia. Tämä laskee polttolämpötilan noin 850-900 °C:een. Koska polttolämpötila on matala, elektrodeissa ja jälkijohdoissa voidaan käyttää johtavia metalleja, joilla on hyvä johtavuus, kuten kultaa ja hopeaa. LTCC:ssä käytetään metalliviivojen painamista silkkipainolla. Tässä menetelmässä voi esiintyä kohdistusvirheitä, koska verkko venyy. Kun monikerroksisia kerroksia pinotaan ja poltetaan yhdessä, voi esiintyä erilaista kutistumista, mikä heikentää saantoa. LTCC:n lämmönjohtavuuden lisäämiseksi komponenttien alueille voidaan lisätä lämpöläpivientejä tai johtavia läpivientejä, mutta tämä nostaa kustannuksia.
LTCC:hen ja HTCC:hen verrattuna TFC on jälkikäteen poltettu keraaminen substraatti. Siinä käytetään silkkipainatusta metallipastojen levittämiseen keraamisen pohjan pinnalle. Kuivauksen jälkeen osa poltetaan korkeassa lämpötilassa (700-800 °C). Metallipastat on valmistettu metallijauheesta, orgaanisesta hartsista ja lasista. Polttamisen jälkeen hartsi palaa pois, ja jäljelle jää kerros, joka on enimmäkseen metallia, joka on sidottu lasimaisella liimalla keraamiseen pintaan. Poltetun metallikerroksen paksuus on tyypillisesti 10-20 μm ja viivan vähimmäisleveys on noin 0,3 mm. Koska tekniikka on kehittynyt, prosessi on yksinkertainen ja kustannukset ovat alhaiset, TFC:tä käytetään silloin, kun kuvion tarkkuus ei ole suuri.
DBC valmistetaan yhteissintraamalla tai eutektisesti liimaamalla kuparifolio keraamiseen levyyn korkeassa lämpötilassa (noin 1065 °C). Liimauksen jälkeen piirikuviot muodostetaan syövyttämällä. Koska kuparifoliolla on hyvä sähkö- ja lämmönjohtavuus ja Al₂O₃ voi hallita Cu-Al₂O₃-Cu-komposiitin laajenemista, DBC:n lämpölaajeneminen on lähellä alumiinioksidia. DBC:llä on hyvä lämmönjohtavuus, vahva eristys ja korkea luotettavuus. Sitä käytetään laajalti IGBT-, laserdiodi- ja CPV-pakkauksissa. DBC:llä on haittoja. Korkean lämpötilan eutektinen reaktio Cu:n ja Al₂O₃:n välillä edellyttää laitteiden ja prosessin tiukkaa valvontaa, joten kustannukset ovat korkeammat. Al₂O₃:n ja Cu:n väliin voi muodostua mikrohuokosia, mikä heikentää lämpöshokkien kestävyyttä. Kuparifolio voi vääntyä korkeassa lämpötilassa, joten kuparin paksuus DBC:ssä on yleensä yli 100 μm. Myös etsausta käytetään kuvioiden muodostamiseen, joten viivan vähimmäisleveys on yleensä yli 100 μm.
DPC alkaa keraamisen levyn puhdistuksella ja esikäsittelyllä. Sen jälkeen substraatin pinnalle kerrostetaan Ti/Cu-siemenkerros tyhjiöpölyttämällä. Piirikuvion muodostamiseen käytetään fotolitografiaa, kehittämistä ja etsausta. Sitten piirin paksuuden kasvattamiseen käytetään galvanointia tai kemiallista pinnoitusta. Kun fotoresisti on poistettu, substraatti on valmis. DPC:llä on seuraavat edut: matalalämpötilaprosessi (alle 300 °C), joten siinä vältetään korkean lämpötilan haitat materiaaleille ja piireille ja alennetaan valmistuskustannuksia. Ohutkalvon ja fotolitografian käyttö tekee metalliviivoista substraatilla hienompia. DPC soveltuu siis hyvin pakkauksiin, joissa tarvitaan suurta kohdistustarkkuutta. DPC:llä on kuitenkin myös huonoja puolia. Elektropinnoitetun kuparin paksuus on rajallinen, ja elektropinnoitusjäteneste voi aiheuttaa saasteita. Metallikerroksen ja keraamisen kerroksen välinen tartunta on heikompi, joten tuotteen luotettavuus voi olla heikompi.
Kun valitset keraamista alustaa, sovita materiaali sovelluksen tarpeisiin. Jos tarvitset korkean lämmönjohtavuuden ja lämpölaajenemisen lähellä piitä, AlN tai SiC voi olla paras vaihtoehto. Jos kustannuksilla ja kypsällä käsittelyllä on merkitystä, Al₂O₃ on hyvä valinta. Jos tarvitset hienoja viivoja ja matalan lämpötilan käsittelyä, DPC ja LTCC voivat toimia. Jos tarvitset tiheitä monikerrosjohtoja ja hermeettistä tiivistystä, rinnakkaispoltetut reitit, kuten LTCC tai HTCC, jossa on rinnakkaissintrattua metallia, voivat olla oikeita.
Yleisiä sovellusalueita ovat tehomoduulit, RF-tehovahvistimet, laserdiodimoduulit, suuritehoiset LEDit ja suuritiheyksiset LSI-pakkaukset. Tehoelektroniikka hyötyy keraamisista substraateista, koska ne siirtävät hyvin lämpöä ja säilyttävät eristyksen ja mekaanisen lujuuden lämpörasituksessa. RF-laitteet hyötyvät alhaisista dielektrisistä häviöistä ja vakaista dielektrisistä ominaisuuksista. Suuritiheyksiset pakkaukset hyötyvät kyvystä tehdä hienoja viivoja ja pinota useita kerroksia hyvällä kohdistuksen hallinnalla, jos prosessi on sopiva.
Jokaisessa keramiikkatyypissä ja prosessissa on kompromisseja. HTCC:ssä käytetään korkeaa polttolämpötilaa, joten johtimina käytetään tulenkestäviä metalleja. Tämä rajoittaa johtavuutta ja nostaa kustannuksia, mutta HTCC voi olla erittäin kestävä korkeissa lämpötiloissa. LTCC laskee polttolämpötilaa lisäämällä lasia, jolloin voidaan käyttää parempia johtimia, mutta LTCC:llä voi olla kutistumisongelmia ja kohdistamisongelmia monikerroksisissa kerroksissa. TFC on halpaa ja yksinkertaista, mutta sillä ei voida saada aikaan hyvin hienoja kuvioita. DBC antaa erinomaisen lämmönjakautumisen paksulla kuparilla, mutta sen kuviointimahdollisuudet ja valmistuskustannukset voivat olla ongelma. DPC mahdollistaa hienon kuvioinnin ja matalissa lämpötiloissa tapahtuvan käsittelyn, mutta adheesio ja jätteiden hallinta vaativat huolellisuutta.
Yhteispoltto tarkoittaa metallipastojen painamista vihreään keramiikkaan ja kaiken polttamista yhdessä. Näin voidaan tehdä hyvin pieniä piirteitä ja todellisia monikerroksisia johdotuksia. Keraaminen ja metallinen materiaali muuttuvat myös yhdeksi yhtenäiseksi kappaleeksi, mikä helpottaa ilmatiivistä tiivistämistä. Yhteispoltto edellyttää kuitenkin materiaalien huolellista hallintaa, jotta kutistuminen ja sintraantuminen saadaan sovitettua yhteen. Polttamisen jälkeisellä metalloinnilla, kuten paksulla kalvolla tai ohuella kalvolla poltetun keraamisen päälle, vältetään yhteissintrauksen kutistumisongelmat. Se voi olla helpompaa yksikerroksisissa tai yksinkertaisissa kaksikerroksisissa tarpeissa. Jälkipoltetuilla menetelmillä ei kuitenkaan välttämättä saavuteta samaa johdotustiheyttä, ja niiden tarttuvuus tai lämpöominaisuudet voivat olla erilaiset.
- Yhteispoltetun monikerroksisen substraatin osalta: tee keraaminen liete, teippivalu, poraa läpiviennit vihreään teippiin, tulosta johtimen pastat näytöllä, pinoa nauhat, paina ja irrota sidokset ja ammu sitten. Polttamisen jälkeen tehdään tarvittaessa loppukäsittely, kuten tyynymetallinnus ja piirin etsaus.
- Paksua kalvoa keraamiselle: käytä poltettua keraamista alustaa, silkkipainatusta johtimesta ja vastuksen tahnoista, polta 700-800 °C:ssa, leikkaa vastukset ja lisää lopulliset metallityynyt.
- DPC:tä varten: puhdas keraaminen, Ti/Cu-siemenen tallettaminen sputteroimalla, kuviointiresisti, siemenen syövyttäminen kuvion aikaansaamiseksi, kuparin kasvattaminen elektrolyyttisellä levyllä, vastuksen poistaminen ja lopullinen puhdistus.
Keraamiset piirilevyt ovat substraattimateriaalien luokka, joka antaa ainutlaatuisia vahvuuksia elektronisille pakkauksille. Ne tarjoavat hyvät lämpöreitit, vakaan sähköisen käyttäytymisen lämpötilassa ja hyvän mekaanisen lujuuden. Erilaiset keraamiset valinnat ja erilaiset metallointireitit antavat suunnittelijoille mahdollisuuden tasapainottaa kustannuksia, lämpösuorituskykyä, sähköistä suorituskykyä ja hienojakoisen kuvion tarpeita. Tämän vuoksi keraamisia substraatteja käytetään laajalti tehoelektroniikassa, RF-moduuleissa, laser- ja diodipaketeissa, suuritehoisissa LEDeissä ja monilla korkean pakkaustiheyden aloilla.
