叶天培
信息产业部电子第43研究所，安徽合肥230022
1引言
全球通信产业、信息产业、工业和消费类电子产业对高效功率转换电路的市场需求仍然在不断增长。典型功率电路应用主要包括功率半导体模块、DC/DC变换器、光镇流器、电机驱动控制器、汽车控制系统等。各种功率电路的额定电流值不等，变化幅度可以从数安培到数百安培乃至数千安培，这就造成了各类功率电路功能要求的千差万别。同样，对电路设计、工作环境、电路结构中所用材料的要求也有显著的差别。
功率电路也有基本要求：需要使用可用以承载电路电流的若干形式的金属化基板，这些基板能为有源器件、无源元件提供良好的散热条件，基板制造工艺性能价格比好，可靠性高。对所有功率电路来说，基板金属化的形式直接影响到如何提高电路效率和减小电路尺寸，这两个因素恰好是推动功率电路技术发展的主要动力。另外，为适应目前环保意识的世界潮流，制造金属化基板和功率电路组件用的材料应该符合环保型的ISO14000要求，用于制作电子元器件的材料及其用后的废弃处理均不能对环境带来有害影响。
功率电路设计师、工程师们常用的3种基板金属化技术是：金属绝缘基板（IMS）、直接敷铜（DBC）和厚膜（ThickFilm）技术。这3种技术目前均在功率电路应用中实现了商品化并获得广泛应用。
IMS技术主要是用一层大约有75μm厚的填充着陶瓷材料的有机介质膜层使35μm～140μm厚的刻蚀过的铜金属化层与铝底板绝缘。该技术使用了有机材料，故对表层的工作温度作了低于125℃的限制。DBC技术是将200μm～500μm厚的铜直接键合在陶瓷基板两面并且刻蚀出图形，较适合高温和大电流应用。厚膜技术是将高温烧结的金属化层制作在陶瓷基板上。表1所示为上述3种金属化基板技术使用的材料的热导率。目前，世界市场上的绝大多数功率电路使用DBC散热。DBC技术可以提供功率电路需要的厚导体层。但是，DBC技术的缺点是制作成的电路密度低，不可能将细间距(5密尔～10密尔)的元器件组合在一起。也就是说，在DBC基板上无法集成控制电路或驱动电路及保护电路。有人考虑用MCM技术在DBC基板上制造功率电路，以此解决控制电路等的集成问题。MCM固然能够实现该目标，但生产成本高，在很大程度上会影响其推广应用。
2加厚型厚膜金属化技术的应用
目前，印制、烧结在96％氧化铝基板上的加厚型厚膜导体已经在大批量生产的产品中得到应用。1996年，为能在某些应用中替代IMS或DBC技术，DuPont公司与功率电路制造商一起开发了专用加厚型的高温烧结银、铜导体浆料。
在传统工艺上，为了满足多层电路和GreenTapeTM电路的微小型化、增加功能和提高电路密度的要求，厚膜导体按很细的线间距和几微米的厚度印刷和烧结。这类较复杂的电路大多数应用于汽车电子装置，例如ECU及ABS装置、DC/DC变换器及变频器等。
但是，用氧化铝基板制作的功率电路要求用一种明显不同于上述方式的方法进行导体浆料的设计。这些导体浆料应是高导热和导电性的非合金型银或铜组份，印制用的丝网网目较粗，以利于印刷很厚的导体层。经干燥后的印制件仍需要在较高温度下排胶和使金属粉和玻璃料在氧化铝基板上烧结成膜。烧成膜必须致密，有极好的导热、导电性，适合使用粗铝丝（10密尔）在上面进行丝焊，适合钎焊。目前，已开发的某些银、铜导体浆料的烧成膜厚度可达到200μm，该厚度是根据需要确定的，所采用的是3次连续的印制/干燥/烧结（P/D/F）重复工艺。
3加厚型厚膜技术的优点
在功率电路应用中，使用加厚型厚膜技术的优点很多。
（1）具备改变膜层厚度的能力，可以将较薄的高密度信号导带和较厚的功率电路导体层印制在同一块基板上，如图1所示。各种功率半导体器件能直接粘焊在烧成膜上，改善热耗散状况。可使组装成本降低，因为减少了电路－电路间的互连，同时使电路的可靠性得以提高，设计方案也可以灵活变更。相比之下，其它技术常常需要将功率器件和控制电路分别组装在不同的基板上。
（2）可以在印制导体的同时印制各种电阻器，这些电阻器可用激光调值。如果需要，在功率电路基板上也可以印制厚膜多层电路，提高电路密度，减小和降低组件的尺寸和成本。
（3）加厚型厚膜技术可以使用微电子组装生产通用的元器件粘焊及互连工艺，例如硅芯片的高温粘焊及粗铝丝键合。
（4）引线框架可以直接焊接在基板上而不需要使用过渡载体。
（5）利用厚膜通孔互连技术可以制作双面电路，导热通孔则有助于改善功率器件与散热片之间的热传导。
（6）厚膜印制和烧结工艺均是加成工艺，对材料和环境的控制较容易，整个生产过程不会产生废水。
（7）军用、汽车电子以及航空航天等严酷环境中的大量应用证明了加厚型厚膜电路所具备的可靠性、耐用性和设计灵活性。厚度增大的印制导体的应用使现有的厚膜技术得到扩展，混合集成电路制造商可以利用现有的设备和专业技术人员加工这些专用的加厚型导体浆料。
（8）96％氧化铝的热导率较高，绝缘性能好，因此是一种性能价格比优良的基板材料，96％氧化铝的热膨胀系数（TCE）约为7.3×10－6/℃，可以与硅功率器件的TCE相匹配，这有利于减小组装较大尺寸芯片时的热应力。
4功率电路用加厚型导体浆料
表2列出专供大面积印制厚膜导体用的加厚型导体浆料的品种和主要特性参数。这些浆料能满足占178mm×127mm基板面积90％左右的金属化方块和焊盘图形的生产要求。
对金属粉末、有机载体系统以及无机粘接相进行选择和组合有利于确保烧成膜具备致密结构。这类选择和组合将最大程度地提高浆料的电、热特性，而且不会影响其它物理特性。大面积印刷时，这些经过专门设计的浆料可以很干净地与丝网分离，图形可保持良好的外观及印刷分辨率。
表2中的6004铜浆料是一种在低温（600℃）氮气气氛下烧结的功率电路用的导体浆料，可用来制作通孔或可焊接的导体层。另外两种“高温”烧结的铜浆料，即7731和7732均是在900℃下氮气气氛中烧成，所形成的十分致密的膜层具有良好的导热、导电性能。据称，为获得这些特性，在浆料配制过程中对这两种铜浆料所用的金属粉末和粘接相的选择很苛刻。
功率电路金属化层3次印/烘/烧所需厚度为150μm或以下时，建议选用7731铜浆料。7732铜浆料的开发成功使功率电路金属化层3次印/烘/烧的厚度增加到200μm（使用105目丝网），这两种铜导体材料均可以进行焊接，与粗铝丝（10密尔）键合性能优良。初始键合强度达500g，150℃/1000小时老炼试验后，键合强度达450g。
非合金型银浆料7740是在空气中烧成，采用标准850℃烧成曲线。能与众多的Dupont公司的空气烧成厚膜电阻浆料兼容。这就便于功率电路生产商使用同一种导体组分、基板以及加工工艺来印制散热焊盘、导电条、控制电路和电阻器端头。
5加厚型膜导体印制工艺
尽管加厚型导体的印制过程与标准的厚膜工艺相似，但对于具体操作人员来说仍需要考虑到许多细节的处理。
如果电路有信号层，第一层导体层可以用165目的不透钢丝网印制，乳胶掩膜厚20μm，依据实际使用的浆料组份情况，该导体层烧成膜厚度在25μm～35μm之间。
第一层导体层印制完毕后，如有些地方需要加厚，这些地方便要作第二次加印。根据所要求的分辨率选择更粗网目的丝网。印制最大厚度丝网目的推荐值是105目，乳胶掩膜厚度为70μm。选择丝网之后，加厚层厚膜印刷的关键条件是选择有硬度的刮刀（硬度计读数≥80）和最小的刮刀压力。在加印第二层时如能从底层第一层导体的最边缘起刮印，可以得到最大的表面平整度，也便于元器件贴装。建议厚膜层的加厚使用依次进行的印/烘/烧工艺，因为对金属进行共烧处理会损害烧成膜的密度。表2表明，综合使用各种目数丝网的方法可以形成最佳的图形分辨率和厚度。
只在基板一面作大面积金属化层印制时，由于加厚型金属化层的TCE与氧化铝基板的TCE不一致，可能会造成基板弯曲。使用基板较薄，金属化层较厚或者印制面积大都会造成基板弯曲。用对基板背面加印薄层导体的做法可以控制该弯曲度。
如果基板需要进行背面金属化，其加工过程应继第一层顶层导体烧成之后进行。对印制丝网的选择取决于需要膜层的厚度。
6加厚型厚膜的热性能
加厚型厚膜最重要的性能特征之一是热耗散特性好，因为对加厚导体来说，使功率器件产生的热量完全传导出去是非常重要的。该特性取决于烧成膜的组份和结构，还取决于印制的厚度。加厚导体层可以水平方向散热。因此，在实际应用中，基板及烧成膜厚度的综合效应的研究是一个重要课题。美国Dupont公司与某终端用户合作已开始这方面的工作。
图2结到散热片的热阻（Rthjs）
在两种厚度的氧化铝基板上（0.38mm和0.63mm）各双面印制两种厚度（25μm和150μm）的7731铜导体浆料，形成4个金属化层。25μm厚度的7731铜导体浆料分别印制在每块氧化铝基板的背面，面积增大了的某个硅功率器件被直接粘焊在顶层导体层上。每个元件再依次粘焊在带有能接受热耦的金属化通孔的散热片上。对硅功率器件施加电流，对其进行电气和温度特性测量以便研究硅结点与散热片之间的热传导特性。测试中，测得硅芯片结点和氧化铝基板的温度分别为140℃和100℃。该数值可以代表典型应用。
图2所示为计算得出的硅结点和散热片之间的热阻（Rthjs）。图2对于同样条件下加厚型厚膜导体、IMS基板及DBC基板的导热性能作了对比。对比中采用的IMS的额定峰电压为3kV，铜导体层厚105μm,底板料用的是2mm厚度的铝板。所使用的DBC材料为在0.38mm厚度的氧化铝基板的两面均直接键合200μm厚度的铜箔。
图2中的数据表明，由于厚膜印制导体的厚度增加，使热导率有所改善，即图中硅结点对散热片的热阻（Rthis）有所下降。研究表明，主要原因是导热铜导体层的水平热传导效率得到了提高。图中的数据还说明在任何情况下，加厚型厚膜铜导体的热性能均优于IMS，而比DBC略差一些。但7731加厚（15μm）铜导体的热性能与同样制作在0.38mm厚氧化铝基板上的200μm厚的DBC金属化的热性能已十分接近。图2列出的数据特别证明了氧化铝导热的有效性。如图2所示，虽然铜厚膜导体层正面的厚度（150μm）要比DBC金属化的（200μm）薄50μm，其反面的厚度（25μm）要比DBC的薄175μm，正是基板和焊接层的导热特性好，所以产生了良好的结果。故7731金属化层已具备与块铜（DBC）相当的热性能。图2的结果还说明氧化铝基板是一种良好的导热性材料，而且，薄基板实际上能更有效地将热耗传导到散热片上。
7结束语
在氧化铝上制造加厚型厚膜金属化层为厚膜技术在功率电路中的应用提供了生机。发达国家已开发了适合于功率电路用的加厚型厚膜印制铜、银导体。功率电路要求导体必须具备良好的印刷性能和良好的导热性、可丝焊性及可焊接性。本文提到的新技术可以局部增加厚膜导体厚度，对电路设计和生产成本的控制具有较大的灵活性。加厚型厚膜技术的另一个特点是能够用一块基板在某些部位印制较薄的高密度信号控制电路，而在另外一些部位印制加厚的功率电路组装用的焊盘以提供有效的热耗散。加厚型厚膜技术以其独特的厚度控制、通孔互连方面的灵活性和采用标准厚膜加工工艺并能与厚膜电阻器兼容等优点开辟了未来基板技术的新途径，拓展了厚膜技术在功率电路领域的应用前景。
摘自《电子元器件应用》
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