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一文看懂什么是高温共烧陶瓷HTCC

新闻来源: 发布日期:2018-03-19 10:23:35发布人:佳日丰小张

HTCC是什么

高温共烧陶瓷 HTCC(High Temperature co-fired Ceramic),采用材料为钨、钼、钼、锰等高熔点金属发热电阻浆料按照发热电路设计的要求印刷于92~96%的氧化铝流延陶瓷生坯上,4~8%的烧结助剂然后多层叠合,在1500~1600℃下高温下共烧成一体。

从而具有耐腐蚀、耐高温、寿命长、高效节能、温度均匀、导热性能良好、热补偿速度快等优点,而且不含铅、镉、汞、六价铬、多溴联苯、多溴二苯醚等有害物质,符合欧盟RoHS等环保要求。

因烧成温度高,HTCC不能采用金、银、铜等低熔点金属材料,必须采用钨、钼、锰等难熔金属材料,这些材料电导率低,会造成信号延迟等缺陷,所以不适合做高速或高频微组装电路的基板。但是,由于HTCC基板具有结构强度高、热导率高、化学稳定性好和布线密度高等优点,因此在大功率微组装电路中具有广泛的应用前景。

HTCC的分类

高温共烧陶瓷中较为重要的是以氧化铝、莫来石和氮化铝为主要成分的陶瓷。

氧化铝

氧化铝陶瓷技术是一种比较成熟的微电子封装技术,它 由 92~96%氧 化 铝,外 加 4~8% 的烧结助剂在1500- 1700℃下烧结而成,其导线材料为钨、钼、钼一锰等难熔金属。

该基板技术成熟,介质材料成本低,热导率和抗弯强度较高。但是,氧化铝多层陶瓷基板有下列缺点::

(1)、介电常数高, 影响信号传输速度的提高; 

(2)、导体电阻率高, 信号传输损耗较大;

(3)、热膨胀系数与硅相差较大,从而限制了它在巨型计算机上的应用。

莫来石

莫来石的介电常数为 7.3- 7.5, 而氧化铝( 96%) 的介电常数为 9.4, 高于莫来石, 所以莫来石的信号传输延迟时间可比氧化铝小17%左右,并且,莫来石的热膨胀系数与硅很接近,所以这种基板材料得到了快速发展。

例如日立、Shinko 等公司均开发了莫来石多层陶瓷基板,并且其产品具有良好的性能指标。不过此基板的布线导体只能采用钨、镍、钼等, 电阻率较大而且热导率低于氧化铝基板。

氮化铝

对于氮化铝基板来说,由于氮化铝热导率高,热膨胀系数与Si、SiC和GaAs等半导体材料相匹配,其介电常数和介质损耗均优于氧化铝,并且 AlN 是较硬的陶瓷,在严酷的环境条件下仍能很好地工作。

比如在高温时 AlN 陶瓷依然具有极好的稳定性,因此,氮化铝用作多层基板材料,在国内外都得到了广泛研究并已经取得令人瞩目的进展。

氮化铝基板所具有的缺点是:

(1)、布线导体电阻率高,信号传输损耗较大;

(2)、烧结温度高,能耗较大;

(3)、介电常数与低温共烧陶瓷介质材料相比还较高;

(4)、氮化铝基板与钨、钼等导体共烧后, 其热导率有所下降;

(5)、丝网印刷的电阻器及其他无源元件不能并入高温共烧工艺,因为这些无源元件的浆料中的金属氧化物,会在该工艺的还原气氛下反应而使性能变坏;

(6)、外层导体必须镀镍镀金保护其不被氧化,同时增加表面的电导率并提供能够进行线焊和锡焊元器件贴装的金属化层。

虽然有这些缺点,但从总体上来说,氮化铝基板比其他高温共烧陶瓷基板有更多的优势,在高温共烧陶瓷领域有很好的发展前途。

HTCC的应用

HTCC陶瓷发热片是一种新型高效环保节能陶瓷发热元件,相比PTC陶瓷发热体,具有相同加热效果情况下节约20~30%电能,所以,产品广泛应用于日常生活、工农业技术、军事、科学、通讯、医疗、环保、宇航等众多领域。

如小型温风取暖器、电吹风、烘干机、干衣机、暖气机、冷暖抽湿机、暖手器、干燥器、电热夹板、电熨斗、电烙铁、卷发烫发器、电子保温瓶、保温箱、保温柜、煤油汽化炉、电热炊具、座便陶瓷加热器、热水器,红外理疗仪、静脉注射液加热器、小型专用晶体器件恒温槽、工业烘干设备、电热粘合器,水、油及酸碱液体等的加热元件。如图所示是用HTCC制作的弧形发热片和圆形发热片。

             

 弧形发热片                                                    圆形发热片

HTCC制作的弧形发热片和圆形发热片

HTCC的发展

HTCC作为一种新型的高导热基板和封装材料,具有高热导率、低热膨胀系数、低介电常数和低介质损耗、高机械强度等特点。

因此它可以实现电性能#热性能和机械性能的优化设计,能够满足器件、模块和组件的高功、高密度、小型化和高可靠要求。

但是, 高温共烧陶瓷(HTCC)电路互连基板中,W、Mo的电阻率较高,电路损耗较大。随着超大规模集成电路的应用频率和电路速度提升,电子设备的小型化等趋势对高密度封装提出更高要求。

而且,HTCC 的陶瓷粉末并无加入玻璃材质,HTCC 必须在高温1300~1600℃环境下干燥硬化成生胚,接着钻上导通孔,以网版印刷技术填孔与印制线路,因其共烧温度较高,使得金属导体材料的选择受限,而且会大大增加其成本。因此,低温共烧陶瓷(LTCC)应运而生。


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