技術(shù)探討 | 天孚通信：5G光器件之散熱分析(下)

  ICCSZ訊 上一篇我們講了關(guān)于散熱的一些應(yīng)用基材，這一篇我們將講述器件封裝之氮化鋁陶瓷，重點(diǎn)介紹在光通信行業(yè)被廣泛應(yīng)用的ALN陶瓷，從器件基板、薄膜電路、散熱基板到陶瓷封裝等等，我們都能隨處可見(jiàn)。（相關(guān)閱讀 — 技術(shù)探討 | 天孚通信：5G光器件之散熱分析（上））

  此文我們將通過(guò)以下幾方面全面了解ALN 的特點(diǎn)及制作工藝：

  (1)ALN 的性能特點(diǎn)

  (2)ALN的材料制備

  (3)ALN的金屬化工藝

  (4)ALN 的應(yīng)用

  ALN 的性能特點(diǎn)

  氮化鋁陶瓷有很高的熱導(dǎo)率, 在陶瓷材料中僅次于SiC 和BeO , 目前國(guó)內(nèi)平均水平為150W/m·K , 國(guó)外為180 ～ 250/m·K , 是氧化鋁陶瓷熱導(dǎo)率的7 ～ 8 倍;其機(jī)械強(qiáng)度和介電強(qiáng)度都優(yōu)于氧化鋁陶瓷, 膨脹系數(shù)、介電性能分別與Si 和氧化鋁陶瓷相近。因而人們希望用高熱導(dǎo)率的氮化鋁陶瓷替代氧化鈹或氧化鋁陶瓷用于高密度、高性能電子封裝的陶瓷基板材料。

  ALN 陶瓷基板材料制備

  陶瓷基板的成型主要有壓模、干壓和流延成型3種方法。

  流延成型類似于攤雞蛋餅，控制刮刀與基帶的間隙就能控制厚度，可以薄至10um以下，厚至1mm以上我們的陶瓷電路基板都是采用的這種方法;

  干壓法類似于金屬粉末冶金放入模具中壓鑄成型，適合大塊件;

  壓模法就是注塑，可以做成形狀稍復(fù)雜的一些結(jié)構(gòu)，如陶瓷插芯采用注塑成型。

  下面介紹一些氮化鋁粉末常用的提取方法

  現(xiàn)在使用較多的制備氮化鋁粉末的方法有鋁粉直接氮化法、氧化鋁碳熱還原法、溶膠法、自蔓燃法、等離子合成法、化學(xué)氣相沉積法、等等。

  1)鋁粉直接氮化法

  ALN+N2→2ALN 將鋁粉放入通有氮?dú)馀c氨氣的反應(yīng)的反應(yīng)爐中加熱到600℃開(kāi)始反應(yīng)。我們就能合成大量純度較高的ALN粉，目前有這種方式的大規(guī)模生產(chǎn)。但是這種方法一般難以得到顆粒微細(xì)、粒度均勻的氮化鋁粉末，通常需要后處理。還有AL顆粒表面氮化后形成ALN層會(huì)阻礙氮?dú)庀蝾w粒的中心的擴(kuò)散，因此采用這種方法轉(zhuǎn)化率是一個(gè)重要的問(wèn)題。

  2)氧化鋁的碳熱還原法

  Al203+3C+N2→2AlN+3CO 這種方法目前運(yùn)用在工業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)用最為廣泛，對(duì)其研究進(jìn)行的比較深入。

  在該法中制備氮化鋁粉體中常加入氧化鈣、氟化鈣、氧化釔等作為催化劑，其中加氟化鈣更有效的降低活化能，提高反應(yīng)速率。這種制備的氮化鋁粉末純度高，成形和燒結(jié)性能好，但合成溫度高反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，粉末粒度較大。

  這邊需要說(shuō)明下，如果有懂得金絲鍵合工藝的小伙伴就比較清楚，表面較為粗糙的有顆粒狀明顯的氮化鋁，如果使用這類的氮化鋁濺射薄膜金屬，打線時(shí)是不太容易鍵合上的，特別是球焊工藝，很容易出現(xiàn)脫焊狀況。

  ALN的金屬化工藝

  為了器件封裝結(jié)構(gòu)，元器件搭載及輸入、輸出端的連接等目的，氮化鋁陶瓷基板表面常常作金屬化處理。ALN 的陶瓷基片金屬化方法很多，分為以下幾種厚膜金屬化、薄膜金屬化、直接鍵合銅金屬化、化學(xué)鍍金屬化等。

  在半導(dǎo)體器件行業(yè)，最常見(jiàn)應(yīng)用陶瓷電路基板電極采用是薄膜工藝和厚膜工藝。這兩種工藝方式是完全不一樣的，薄膜工藝指真空蒸鍍、和離子濺射這類能夠精確控制膜的形狀和厚度的成膜工藝，如我們光通信器件貼片載體Ti/Pt/Au 或者Ti/Ni/Au 電極和 AuSn焊料都是采用薄膜工藝制備；

  而厚膜工藝指絲網(wǎng)印刷，這類比較粗略簡(jiǎn)便的成膜工藝，如泵浦源大功率激光器需要快速散熱都是使用的厚膜渡銅工藝氮化鋁。

  大家知道我們光通信器件貼片載體常常采用AuSn共晶焊料，但焊料可不是直接蒸鍍?cè)诘X上的，而是底下有一層電極，采用Ti/Pt/Au 或者Ti/Ni/Au 這幾種金屬組合而成的薄膜電極，而且這幾種金屬都是有蒸鍍先后順序的，這是為什么呢？ Ti/Pt/Au跟Ti/Ni/Au的差異性在哪里？

  氮化鋁是六方晶纖鋅礦結(jié)構(gòu), 密堆間隙中的Al 離子半徑小, 價(jià)態(tài)高, 具有較強(qiáng)的極化作用, 使氮化鋁清潔表面的不飽和氮具有較高的化學(xué)活性。通常氮因電負(fù)性大, 電離勢(shì)高而有很強(qiáng)的共價(jià)傾向, 即使與低電負(fù)性金屬反應(yīng), 也會(huì)因負(fù)離子負(fù)電荷高, 離子半徑較大而水解。故一般狀況下, 氮不易與金屬反應(yīng)。Ti , Ta ,W 等金屬因能與氮形成高晶格能化合物, 使其在氮化鋁表面附著性能很好。

  鈦具有良好的耐蝕性, 較高的比強(qiáng)度和較小的質(zhì)量密度, 然而鈦表面的耐磨性差, 易氧化，接觸電阻高,釬焊性差, 在某些介質(zhì)或高溫下鈦的耐蝕性也變差, 使其應(yīng)用受到一定的限制，在鈦上鍍鉑或鍍鎳可以克服以上缺點(diǎn)，鉑鎳鍍層硬度高,電阻小, 可釬焊。

  最后一層就是我們所熟悉的鍍金層，金子可是個(gè)好東西，在空氣中不易氧化，耐腐蝕，導(dǎo)電性能極佳，散熱性能好，還能與其他金屬如錫、銅做成焊料等等，

  另外激光器的P面或N面常常都有鍍金處理，與我們的半導(dǎo)體芯片為了形成較好的附著力，跟我們的金絲鍵合能夠有效融合，所以氮化鋁的電極最后一層都需要用鍍金處理，鍍金厚度一般控制在0.5~1um左右，太薄了不行，金絲鍵合的強(qiáng)度難以保證，厚了當(dāng)然是好事，那成本當(dāng)然也上去啦。

  氮化鋁電極鍍層及設(shè)計(jì)參數(shù)

  一般廠家做電極鍍層時(shí)都會(huì)建議金屬化不能完全到邊，會(huì)預(yù)留0.05mm的白邊，因?yàn)橐徽X切割小片的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致卷金問(wèn)題;

  Ti的厚度完全取決于氮化鋁拋光的表面粗糙度，目前我們國(guó)內(nèi)也能做成鏡面氮化鋁，粗糙度能夠達(dá)到<0.05um，所以Ti 厚度一般控制在0.1~0.2um；金錫焊料的厚度最小5um以上，我曾做過(guò)相應(yīng)的貼片壓入厚度試驗(yàn)，一般我們的貼片設(shè)備吸嘴壓力參數(shù)范圍3~500g左右，共晶焊15g的力道已經(jīng)很大了，貼完片后將芯片推掉在電鏡掃描下測(cè)得芯片陷入厚度為2~3um;

  下面我們?cè)賮?lái)解釋下，電極鍍層Ti/Pt /Au 跟 Ti/Ni /Au的性能差異

  鉑金屬的抗腐蝕性極強(qiáng),在高溫下非常穩(wěn)定,電性能亦很穩(wěn)定，它在任何溫度下都不會(huì)氧化。

  鎳金屬亦有較好的抗腐蝕性，綜合性能比鉑金屬略遜色，導(dǎo)熱系數(shù)比鉑金屬稍高，鎳導(dǎo)熱系數(shù)90W, 鉑金屬70W，但是鎳的成本要比鉑低個(gè)幾百倍，所以有很多廠家鍍層工藝都是選用的鈦鎳金；

  如果要使用鈦鎳金鍍層氮化鋁的小伙伴們需要注意了，我曾經(jīng)在這個(gè)工藝上栽過(guò)很大的跟頭。

  我曾經(jīng)負(fù)責(zé)過(guò)一大功率半導(dǎo)體封裝工藝，在做樣品時(shí)沒(méi)太過(guò)多關(guān)注氮化鋁的鍍層工藝參數(shù)，只是注意點(diǎn)都集中在選用高導(dǎo)熱系數(shù)的ALN 選用的200W,實(shí)驗(yàn)結(jié)果 散熱性能也是通過(guò)要求，但是這個(gè)時(shí)候出現(xiàn)了一些問(wèn)題，有個(gè)別樣品半導(dǎo)體芯片出現(xiàn)了“漏電”現(xiàn)象，這里所謂的“漏電”并不是真的漏電，而是芯片N級(jí)與P級(jí)之間的阻值發(fā)生了變化，原本是有一定幾十到一百Ω阻值的，可是“漏電”的芯片阻值只有幾個(gè)Ω或是0，也就是芯片的有源層直接導(dǎo)通了。當(dāng)時(shí)對(duì)這個(gè)問(wèn)題沒(méi)有太過(guò)細(xì)想，以為是芯片切割解理時(shí)導(dǎo)致芯片有源層損傷導(dǎo)致。

  后來(lái)在小批量生產(chǎn)時(shí)，大規(guī)模的爆發(fā)了這種“漏電”不良品，不良率有40%~50%，這下問(wèn)題就嚴(yán)重了，矛頭仍然指向芯片端工藝，絲毫沒(méi)有注意到氮化鋁，大伙都知道，我們?cè)谧鲂酒Х治鰰r(shí)，如果找不到直接原因，那只有人機(jī)料法環(huán)一一排除了，最后排查到氮化鋁這塊，以為是鍍層參數(shù)有問(wèn)題，又更改了相應(yīng)的鈦鎳金參數(shù)，還是不行，領(lǐng)導(dǎo)這時(shí)也發(fā)話三天內(nèi)給出解決方案，大伙有體驗(yàn)過(guò)這種手足無(wú)措，毫無(wú)頭緒的失效分析解決么，多少偉大的攻城師死在城墻門口，一旦城墻被攻破，那種成就感真是比娶了媳婦還美。

  沒(méi)轍兒，只能不停的各種實(shí)驗(yàn)，最后選用金屬鈦鉑金作為蒸鍍鍍層，實(shí)驗(yàn)結(jié)果忽然讓人柳暗花明，撥云見(jiàn)日，“漏電”現(xiàn)象消失得無(wú)影無(wú)蹤;最后對(duì)比兩種熱沉發(fā)現(xiàn)，竟然是鎳層搗的鬼；

  分析得知，鎳鍍層有很多直徑約1um圓錐狀山峰，類似于金屬的批鋒毛刺，雖然被外面的金層有所覆蓋，但是一但經(jīng)過(guò)高溫回流或者高溫共晶焊時(shí)，這些晶須很容易攀附到半導(dǎo)體的有源層，再加上大功率半導(dǎo)體的有源層離氮化鋁鍍金面只有十幾個(gè)um的高度，很容易形成短路；

  所以我這邊給小伙伴的建議是 ，如果半導(dǎo)體的有源層是在芯片的側(cè)面或者有源層高度很低時(shí)，如EML、DFB、 大功率激光器，建議使用鈦鉑金工藝氮化鋁；

  如果應(yīng)用的場(chǎng)合是信號(hào)線過(guò)渡、垂直發(fā)光腔芯片如Vcsel ，還有PD、電容 等可以使用價(jià)格廉價(jià)點(diǎn)的鈦鎳金氮化鋁;

  ALN的應(yīng)用

  (1)載體熱沉

  (2)陶瓷封裝

  (3)陶瓷電路

  針對(duì)熱沉 COC 類、BOX 類器件封裝工藝，目前天孚通信可做專業(yè)代工生產(chǎn)，推出高速率BOX有源器件封裝等系列解決方案。TFC擁有高精度貼合，金絲鍵合技術(shù)能力，自動(dòng)化貼片設(shè)備精度可達(dá)±0.5um，亦可提供穩(wěn)定AWG/TFF 光學(xué)器件方案；同時(shí)擁有高精度精密加工和Recptacle設(shè)計(jì)裝配能力，TFC還擁有各種類型自由空間隔離器設(shè)計(jì)和隔離器芯片與插芯貼合以及擁有光學(xué)模擬分析能力，可以根據(jù)客戶要求定制設(shè)計(jì)和加工各類型的組件帶透鏡產(chǎn)品。如有合作意向的小伙伴們也可找我們洽談。

      來(lái)源：天孚通信研發(fā)部門供稿