器件封装之氮化铝陶瓷

Hi小伙伴们，上一篇我们谈了关于风扇的一些应用于基材，这一篇我们将重点讲解在光通信行业被广泛应用的ALN陶瓷，从器件基板，薄膜电路，风扇基板，到陶瓷封装等等，我们都能随处可见。此文我们将通过以下几方面全面理解ALN的特点及制作工艺：（1）ALN的性能特点（2）ALN的材料制取（3）ALN的金属化工艺（4）ALN的应用于ALN的性能特点氮化铝陶瓷有很高的热导率，在陶瓷材料中次于SiC和BeO，目前国内平均水平为150W／m·K，国外为180～250／m·K，是氧化铝陶瓷热导率的7～8倍；其机械强度和介电强度都高于氧化铝陶瓷，膨胀系数、介电性能分别与Si和氧化铝陶瓷相似。因而人们期望用低热导率的氮化铝陶瓷替代氧化铍或氧化铝陶瓷用作高密度、高性能电子PCB的陶瓷基板材料。ALN陶瓷基板材料制取陶瓷基板的成型主要有压模、干压和流延成型3种方法。

流延成型类似于摊鸡蛋饼，掌控刮刀与基带的间隙就能掌控厚度，可以厚至10um以下，薄至1mm以上我们的陶瓷电路基板都是使用的这种方法；腊压法类似于金属粉末冶金放进模具中合金钢成型，合适大块件；压模法就是塑料，可以制成形状稍简单的一些结构，如陶瓷挂芯使用塑料成型。下面讲解一些氮化铝粉末常用的萃取方法现在用于较多的制取氮化铝粉末的方法有铝粉必要氮化法、氧化铝碳冷还原法、溶胶法、自蔓燃法、等离子制备法、化学气相沉积法、等等。1）铝粉必要氮化法ALN＋N2→2ALN将铝粉放进合有氮气与氨气的反应的反应炉中冷却到600℃开始反应。我们就能制备大量纯度较高的ALN粉，目前有这种方式的大规模生产。

但是这种方法一般无法获得颗粒识、粒度均匀分布的氮化铝粉末，一般来说必须后处理。还有AL颗粒表面氮化后构成ALN层会妨碍氮气向颗粒的中心的蔓延，因此使用这种方法转化率是一个最重要的问题。2）氧化铝的碳冷还原法Al203＋3C＋N2→2AlN＋3CO这种方法目前运用在工业生产中运用尤为普遍，对其研究展开的较为了解。

在该法中制取氮化铝粉体中常重新加入氧化钙、氟化钙、氧化钇等作为催化剂，其中特氟化钙更加有效地的减少活化能，提升反应速率。这种制取的氮化铝粉末纯度低，成形和工件性能好，但制备温度低反应时间宽，粉末粒度较小。这边必须解释下，如果有懂金丝键合工艺的小伙伴就比较清楚，表面更为坚硬的有颗粒状显著的氮化铝，如果用于这类的氮化铝喷发物薄膜金属，打线时是不过于更容易键合上的，尤其是球焊工艺，很更容易经常出现脱焊状况。ALN的金属化工艺为了器件PCB结构，元器件配备及输出、输入端的相连等目的，氮化铝陶瓷基板表面经常不作金属化处置。

ALN的陶瓷基片金属化方法很多，分成以下几种厚膜金属化、薄膜金属化、必要键通铜金属化、化学镀金属化等。在半导体器件行业，最少见应用于陶瓷电路基板电极使用是薄膜工艺和厚膜工艺。

这两种工艺方式是几乎不一样的，薄膜工艺指真空蒸镀、和离子喷发物这类需要准确掌控膜的形状和厚度的成膜工艺，如我们光通信器件贴片载体Ti／Pt／Au或者Ti／Ni／Au电极和AuSn焊料都是使用薄膜工艺制取；而厚膜工艺指丝网印刷，这类较为粗略简单的成膜工艺，如泵浦源大功率激光器必须较慢风扇都是用于的厚膜舟铜工艺氮化铝。大家告诉我们光通信器件贴片载体经常使用AuSn共晶焊料，但焊料可不是必要煮镀在氮化铝上的，而是底下有一层电极，使用Ti／Pt／Au或者Ti／Ni／Au这几种金属组合而成的薄膜电极，而且这几种金属都是有蒸镀先后顺序的，这是为什么呢？Ti／Pt／Au跟Ti／Ni／Au的差异性在哪里？氮化铝是六方晶纤锌矿结构，密堆间隙中的Al离子半径小，价态低，具备较强的极化起到，使氮化铝洗手表面的不饱和氮具备较高的化学活性。一般来说氮因电负性大，电离势低而有很强的共价偏向，即使与较低电负性金属反应，也不会因负离子负电荷低，离子半径较小而水解。

故一般状况下，氮容易与金属反应。Ti，Ta，W等金属因能与氮构成低晶格能化合物，使其在氮化铝表面吸附性能很好。钛具备较好的耐蚀性，较高的比强度和较小的质量密度，然而钛表面的耐磨性劣，不易水解，认识电阻低，钎焊性差，在某些介质或高温下钛的耐蚀性也变差，使其应用于受到一定的容许，在钛上镀上铂或镀镍可以解决以上缺点，铂镍镀层硬度低，电阻小，可钎焊。

最后一层就是我们所熟知的镀金层，金子可是个好东西，在空气中容易水解，耐腐蚀，导电性能极好，风扇性能好，还能与其他金属如锡、铜制成焊料等等，另外激光器的P面或N面经常都有镀金处置，与我们的半导体芯片为了构成较好的附着力，跟我们的金丝键合需要有效地融合，所以氮化铝的电极最后一层都必须用镀金处置，镀金厚度一般掌控在0.5～1um左右，太薄了敢，金丝键合的强度无法确保，薄了当然是好事，那成本当然也上去啦。氮化铝电极镀层及设计参数一般厂家做到电极镀层时都会建议金属化无法几乎到边，不会腾出0.05mm的白边，因为一整片氮化铝切割成小片的时候不会造成卷金问题；Ti的厚度几乎各不相同氮化铝打磨的表面粗糙度，目前我们国内也能制成镜面氮化铝，粗糙度需要超过＜0.05um，所以Ti厚度一般掌控在0.1～0.2um；金锡焊料的厚度大于5um以上，我曾做到过适当的贴片压入厚度试验，一般我们的贴片设备吸嘴压力参数范围3～500g左右，共晶焊接15g的力道早已相当大了，贴完片后将芯片拍电影在电镜扫瞄下测得芯片陷于厚度为2～3um；下面我们再行来说明下，电极镀层Ti／Pt／Au跟Ti／Ni／Au的性能差异铂金属的抗腐蚀性极强，在高温下十分平稳，电性能亦很平稳，它在任何温度下都会水解。镍金属亦有较好的抗腐蚀性，综合性比起铂金属额逊色，导电系数比铂金属略为低，镍导电系数90W，铂金属70W，但是镍的成本要比铂较低个几百倍，所以有很多厂家镀层工艺都是搭配的钛镍金；如果要用于钛镍金镀层氮化铝的小伙伴们必须留意了，我曾多次在这个工艺上植过相当大的跟头。我曾多次负责管理过一大功率半导体PCB工艺，在做到样品时没有过于过多注目氮化铝的镀层工艺参数，只是留意点都集中于在搭配低导电系数的ALN搭配的200W，实验结果风扇性能也是通过拒绝，但是这个时候经常出现了一些问题，有个别样品半导体芯片经常出现了“漏电”现象，这里所谓的“漏电”并不是知道漏电，而是芯片N级与P级之间的阻值再次发生了变化，原本是有一定几十到一百Ω阻值的，可是“漏电”的芯片阻值只有几个Ω或是0，也就是芯片的有源层必要导通了。

当时对这个问题没过于过细想要，以为是芯片切割成解理时造成芯片有源层受损造成。后来在小批量生产时，大规模的愈演愈烈了这种“漏电”不当五品，不良率有40％～50％，这下问题就相当严重了，矛头依然指向芯片末端工艺，丝毫没注意到氮化铝，大伙都告诉，我们在做到芯片过热分析时，如果去找将近直接原因，那只有人机料法环一一回避了，最后排查到氮化铝这块，以为是镀层参数有问题，又变更了适当的钛镍金参数，还是敢，领导这时也对讲机三天内得出解决方案，大伙有体验过这种手足无措，没什么头绪的过热分析解决问题么，多少最出色的守城师杀在城墙门口，一旦城墙被攻陷，那种成就感感叹比嫁给了媳妇还美。

没辙儿，不能不时的各种实验，最后搭配金属钛铂金作为蒸镀镀层，实验结果突然让人柳暗花明，拨云见日，“漏电”现象消失得无影无踪；最后对比两种热沉找到，居然是镍层破的鬼；分析获知，镍镀层有很多直径约1um圆锥状山峰，类似于金属的批锋毛刺，虽然被外面的金层有所覆盖面积，但是一但经过高温转往或者高温共晶焊接时，这些晶须很更容易攀援到半导体的有源层，再行再加大功率半导体的有源层离氮化铝镀金面只有十几个um的高度，很更容易构成短路；所以我这边给小伙伴的建议是，如果半导体的有源层是在芯片的侧面或者有源层高度很低时，如EML、DFB、大功率激光器，建议用于钛铂金工艺氮化铝；如果应用于的场合是信号线过渡性、横向闪烁腔芯片如Vcsel，还有PD、电容等可以用于价格廉价点的钛镍金氮化铝；ALN的应用于（1）载体热沉（2）陶瓷封装（3）陶瓷电路针对热沉COC类、BOX类器件PCB工艺，目前天孚通信可做到专业代工生产，发售高速率BOX有源器件PCB等系列解决方案。TFC享有高精度契合，金丝键合技术能力，自动化贴片设备精度可约±0.5um，均可获取平稳AWG／TFF光学器件方案；同时享有高精度仪器加工和Recptacle设计组装能力，TFC还享有各种类型自由空间隔离器设计和隔离器芯片与挂芯契合以及享有光学仿真分析能力，可以根据客户拒绝自定义设计和加工各类型的组件带上透镜产品。如有合作意向的小伙伴们也可找我们接洽。

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