HTCC是什么
高溫共燒陶瓷 HTCC(High Temperature co-fired Ceramic),采用材料為鎢、鉬、鉬、錳等高熔點金屬發(fā)熱電阻漿料按照發(fā)熱電路設(shè)計的要求印刷于92~96%的氧化鋁流延陶瓷生坯上,4~8%的燒結(jié)助劑然后多層疊合,在1500~1600℃下高溫下共燒成一體。
從而具有耐腐蝕、耐高溫、壽命長、高效節(jié)能、溫度均勻、導(dǎo)熱性能良好、熱補償速度快等優(yōu)點,而且不含鉛、鎘、汞、六價鉻、多溴聯(lián)苯、多溴二苯醚等有害物質(zhì),符合歐盟RoHS等環(huán)保要求。
因燒成溫度高,HTCC不能采用金、銀、銅等低熔點金屬材料,必須采用鎢、鉬、錳等難熔金屬材料,這些材料電導(dǎo)率低,會造成信號延遲等缺陷,所以不適合做高速或高頻微組裝電路的基板。但是,由于HTCC基板具有結(jié)構(gòu)強度高、熱導(dǎo)率高、化學(xué)穩(wěn)定性好和布線密度高等優(yōu)點,因此在大功率微組裝電路中具有廣泛的應(yīng)用前景。
HTCC的分類
高溫共燒陶瓷中較為重要的是以氧化鋁、莫來石和氮化鋁為主要成分的陶瓷。
氧化鋁
氧化鋁陶瓷技術(shù)是一種比較成熟的微電子封裝技術(shù),它 由 92~96%氧 化 鋁,外 加 4~8% 的燒結(jié)助劑在1500- 1700℃下燒結(jié)而成,其導(dǎo)線材料為鎢、鉬、鉬一錳等難熔金屬。
該基板技術(shù)成熟,介質(zhì)材料成本低,熱導(dǎo)率和抗彎強度較高。但是,氧化鋁多層陶瓷基板有下列缺點::
(1)、介電常數(shù)高, 影響信號傳輸速度的提高;
(2)、導(dǎo)體電阻率高, 信號傳輸損耗較大;
(3)、熱膨脹系數(shù)與硅相差較大,從而限制了它在巨型計算機上的應(yīng)用。
莫來石
莫來石的介電常數(shù)為 7.3- 7.5, 而氧化鋁( 96%) 的介電常數(shù)為 9.4, 高于莫來石, 所以莫來石的信號傳輸延遲時間可比氧化鋁小17%左右,并且,莫來石的熱膨脹系數(shù)與硅很接近,所以這種基板材料得到了快速發(fā)展。
例如日立、Shinko 等公司均開發(fā)了莫來石多層陶瓷基板,并且其產(chǎn)品具有良好的性能指標。不過此基板的布線導(dǎo)體只能采用鎢、鎳、鉬等, 電阻率較大而且熱導(dǎo)率低于氧化鋁基板。
氮化鋁
對于氮化鋁基板來說,由于氮化鋁熱導(dǎo)率高,熱膨脹系數(shù)與Si、SiC和GaAs等半導(dǎo)體材料相匹配,其介電常數(shù)和介質(zhì)損耗均優(yōu)于氧化鋁,并且 AlN 是較硬的陶瓷,在嚴酷的環(huán)境條件下仍能很好地工作。
比如在高溫時 AlN 陶瓷依然具有極好的穩(wěn)定性,因此,氮化鋁用作多層基板材料,在國內(nèi)外都得到了廣泛研究并已經(jīng)取得令人矚目的進展。
氮化鋁基板所具有的缺點是:
(1)、布線導(dǎo)體電阻率高,信號傳輸損耗較大;
(2)、燒結(jié)溫度高,能耗較大;
(3)、介電常數(shù)與低溫共燒陶瓷介質(zhì)材料相比還較高;
(4)、氮化鋁基板與鎢、鉬等導(dǎo)體共燒后, 其熱導(dǎo)率有所下降;
(5)、絲網(wǎng)印刷的電阻器及其他無源元件不能并入高溫共燒工藝,因為這些無源元件的漿料中的金屬氧化物,會在該工藝的還原氣氛下反應(yīng)而使性能變壞;
(6)、外層導(dǎo)體必須鍍鎳鍍金保護其不被氧化,同時增加表面的電導(dǎo)率并提供能夠進行線焊和錫焊元器件貼裝的金屬化層。
雖然有這些缺點,但從總體上來說,氮化鋁基板比其他高溫共燒陶瓷基板有更多的優(yōu)勢,在高溫共燒陶瓷領(lǐng)域有很好的發(fā)展前途。
HTCC的應(yīng)用
HTCC陶瓷發(fā)熱片是一種新型高效環(huán)保節(jié)能陶瓷發(fā)熱元件,相比PTC陶瓷發(fā)熱體,具有相同加熱效果情況下節(jié)約20~30%電能,所以,產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于日常生活、工農(nóng)業(yè)技術(shù)、軍事、科學(xué)、通訊、醫(yī)療、環(huán)保、宇航等眾多領(lǐng)域。
如小型溫風(fēng)取暖器、電吹風(fēng)、烘干機、干衣機、暖氣機、冷暖抽濕機、暖手器、干燥器、電熱夾板、電熨斗、電烙鐵、卷發(fā)燙發(fā)器、電子保溫瓶、保溫箱、保溫柜、煤油汽化爐、電熱炊具、座便陶瓷加熱器、熱水器,紅外理療儀、靜脈注射液加熱器、小型專用晶體器件恒溫槽、工業(yè)烘干設(shè)備、電熱粘合器,水、油及酸堿液體等的加熱元件。如圖所示是用HTCC制作的弧形發(fā)熱片和圓形發(fā)熱片。
弧形發(fā)熱片 圓形發(fā)熱片
HTCC制作的弧形發(fā)熱片和圓形發(fā)熱片
HTCC的發(fā)展
HTCC作為一種新型的高導(dǎo)熱基板和封裝材料,具有高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)、低介電常數(shù)和低介質(zhì)損耗、高機械強度等特點。
因此它可以實現(xiàn)電性能#熱性能和機械性能的優(yōu)化設(shè)計,能夠滿足器件、模塊和組件的高功、高密度、小型化和高可靠要求。
但是, 高溫共燒陶瓷(HTCC)電路互連基板中,W、Mo的電阻率較高,電路損耗較大。隨著超大規(guī)模集成電路的應(yīng)用頻率和電路速度提升,電子設(shè)備的小型化等趨勢對高密度封裝提出更高要求。
而且,HTCC 的陶瓷粉末并無加入玻璃材質(zhì),HTCC 必須在高溫1300~1600℃環(huán)境下干燥硬化成生胚,接著鉆上導(dǎo)通孔,以網(wǎng)版印刷技術(shù)填孔與印制線路,因其共燒溫度較高,使得金屬導(dǎo)體材料的選擇受限,而且會大大增加其成本。因此,低溫共燒陶瓷(LTCC)應(yīng)運而生。