eng
Выпуск #2/2012
Р.Кондратюк
Металлизация поверхности низкотемпературной керамики под микросварку
Металлизация поверхности низкотемпературной керамики под микросварку
Просмотры: 7897
Низкотемпературная совместно спекаемая керамика (LTCC) с серебряной и золотой металлизацией – решение для многослойных высокочастотных коммутационных плат и корпусов монолитных СВЧ интегральных схем. Поверхность плат должна быть пригодна для низко- и высокотемпературной пайки, клейки электропроводящими клеями, микросварки золотой и алюминиевой проволокой и лентами, для химического осаждения. Это требует материалов, выдерживающих электрохимическое и механическое воздействия. Рассмотрены особенности металлизации поверхности LTCC керамических плат под микросварку и существующие материалы в линейке проводящих паст Ferro.
Теги: low-temperature co-sintering ceramic metallization monolithic ic package switch circuit boards коммутационные платы корпус монолитной ис металлизация низкотемпературная совместно спекаемая керамика
Благодаря низкой температуре обжига (800–900˚С), металлизация многослойных керамических структур в технологии LTCC осуществляется металлами с низким удельным электрическим сопротивлением, такими как золото (Au) и серебро (Ag). Их использование позволяет снизить потери СВЧ в проводниках и создавать устройства, работающие на частотах до 110 ГГц. LTCC-технология дает также возможность встраивать пассивные и активные компоненты в многослойные платы, снижая тем самым массогабаритные размеры электронных модулей и увеличивая их надежность и функциональные возможности.
Золотая металлизация обладает высокой коррозионной стойкостью, низким удельным электрическим сопротивлением и устойчивостью к миграции. За счет этого она используется для создания высоконадежных СВЧ-устройств в военной и аэрокосмической отраслях. С технологической точки зрения золотая металлизация применяется для создания поверхностей под пайку низко- и высокотемпературными припоями (AuGe, AuSi, AuSn), а также для металлизации поверхностей под микросварку (Au/Al проволока, ленты).
Серебряная металлизация позволяет снизить стоимость LTCC-изделий и применяется, как правило, для производства СВЧ-приборов телекоммуникационного, автомобильного и медицинского назначения. Поверхность, металлизированная серебряной проводящей пастой, пригодна только для низкотемпературной пайки или для химического осаждения. Стоит отметить, что серебряное покрытие само по себе не пригодно для микросварки Au/Al проволокой, лентами, поэтому его металлизируют золотом (химически с подслоем никеля) или отказываются от серебряной металлизации в пользу специализированных золотых паст для микросварки.
Таким образом, для создания поверхности под микросварку Au/Al проволокой/лентами в LTCC-системах существуют две основные технологии:
трафаретная печать проводящих золотых паст под микросварку с последующим их вжиганием при 800–900˚С;
химическое осаждение Ni/Au-покрытия на специализированные серебряные пасты.
Выбор технологии определяется стоящими задачами, а также наличием необходимого оборудования. Трафаретная печать специализированными золотыми пастами позволяет получать максимальную надежность микросварного соединения, а использование химической металлизации дает возможность в ряде случаев снизить себестоимость изделий.
Химическое осаждение, как способ металлизации LTCC-плат
Химическое осаждение – хорошо известная, широко используемая и экономически эффективная технология создания Ni/Au-металлизации подложек. Она может быть использована для осаждения тонких и толстых пленок. Однако качество (однородность и чистота) осажденных слоев в значительной степени определяется параметрами процесса нанесения.
Если рассматривать технологию применительно к LTCC, то специализированные проводящие пасты позволяют создавать Ni/Au химическую металлизацию керамических плат под пайку и под микросварку в едином цикле (рис.1). Это дает возможность снизить стоимость используемых материалов и изделий в целом.
Разработка паст под химическое осаждение – высокотехнологичный и сложный процесс. Состав таких паст отличается от типовых и подбирается с учетом воздействия химических реактивов при осаждении. Попытки использования обычных проводящих паст, как правило, приводят к плохой адгезии и низкой надежности паяного или микросварного соединения в последующем.
Для химической металлизации в LTCC-системах Ferro существует специализированная паста CN33-495. Рекомендованная толщина этой пасты при печати составляет 15 мкм (11 мкм после вжигания), а толщина Ni/Au-металлизации для микросварки – 4 и 1,5 мкм, соответственно. Металлизация пастами Ferro CN33-495 выдерживает испытания на термоциклирование и термостарение (85˚С/85% влажности) в течение 1000 ч. Стоит отметить, что качество покрытия, созданного при химической металлизации, даже с использованием специализированных паст в сильной степени определяется параметрами осаждения.
Основные сложности процесса химического осаждения в LTCC-технологии: плохая адгезия покрытий, их пористость (рис.2), наличие загрязнений (ионные, органические, кислотные). К тому же пасты для химического осаждения доступны не для всех представленных на рынке LTCC-систем. Например, в линейке LTCC-материалов Ferro такие пасты существуют только для системы L8 (пасты CN33-495 и CN33-498), которая разработана для СВЧ-устройств, работающих на частотах до 31 ГГц. По этой причине, если рабочие частоты будущего изделия превышают 31 ГГц, и необходимо создать поверхность под микросварное соединение, то рекомендуется использовать систему Ferro A6 со специальными проводящими пастами для металлизации поверхности.
Таким образом, химическая металлизация LTCC-плат позволяет снизить стоимость изделия. Однако в связи со сложностью процесса осаждения и ограниченным выбором представленных на рынке специализированных проводящих LTCC-паст, она не является универсальным решением.
ТолстоплЕночная технология. Пасты для металлизации поверхности LTCC-плат
Толстопленочная технология является наиболее эффективным способом создания пленок толщиной в единицы и десятки микрометров. В LTCC-технологии формирование толстых проводящих пленок осуществляется специализированными пастами с помощью трафаретной печати. Данный метод металлизации поверхности является основным в производстве LTCC-изделий (рис.3).
Проводящие пасты для металлизации поверхности в LTCC-технологии представляют собой смесь порошков металлов, специальных добавок (стекол или оксидов) и органических веществ. Смешивание компонентов паст для получения максимальной однородности и удаления конгломератов частиц производится сначала с помощью миксера, затем в трехвалковой мельнице.
Порошки металлов получают химическим восстановлением из растворов. Типичный размер частиц металлического порошка для проводящих LTCC-паст составляет менее 20 мкм. Во время низкотемпературного обжига порошок спекается, образуя ровную гладкую проводящую поверхность, что способствует снижению потерь СВЧ на поверхности проводников.
Стекла и оксиды в составе паст обеспечивают адгезию проводящего слоя к материалу керамики, а также способствуют спеканию частиц металла при пониженной температуре. Эти добавки являются наиболее важной и сложной частью LTCC проводящих паст. Химический состав и качество стекол/оксидов в большой степени определяют адгезионную прочность металлизации к подложке, прочность микросварного соединения, качество поверхности металлизации, а также соответствие коэффициентов усадки паст и керамики во время обжига. Количество неорганических добавок в пасте варьируется от десятых долей до нескольких процентов. Увеличение содержания стекол и оксидов, с одной стороны, улучшает механические свойства металлизации, а с другой, – увеличивает электрическое сопротивление проводящего слоя. Поэтому разработчики паст стараются найти "золотую середину" и, как правило, состав, качество и количество добавок являются главным секретом проводящих паст для LTCC-технологии.
Органические материалы служат связующим для получения пастообразной массы, пригодной для трафаретной печати. Такое вещество определяет вязкость, тиксотропность пасты и играет важную роль в обеспечении высокого качества нанесения. При температурной обработке органика удаляется из состава паст, и остаются только металлы, оксиды и стекла. Важно, чтобы полное удаление органики происходило до температуры стеклования компонентов LTCC-керамики, иначе неизбежно образование пор и пустот в создаваемой металлизации.
Особенности применения паст для металлизации LTCC-плат под микросварку
Создание металлизированной поверхности под микросварку в LTCC-технологии требует использования специализированных паст на основе чистого золота для Au проволоки/лент и смеси золота с другими металлами (как правило, Pd) для Al проволоки/лент. При создании микросварного соединения, а также при последующей эксплуатации LTCC-устройств наблюдаются два основных дефекта металлизации поверхности: отрыв металлизации от керамической подложки, отрыв проволоки/ленты от поверхности металлизации. Оба дефекта в большей степени определяются качеством, количеством и типом неорганических добавок в пастах.
В зависимости от состава наполнителей, адгезионная прочность металлического покрытия к LTCC-подложке может существенно меняться. Входящие в состав паст стекла обеспечивают механическую, а оксиды металлов – химическую связь металлизации с подложкой. Обычно в составе паст содержатся и стекла, и оксиды, а пропорции смешивания подбираются для каждой пасты индивидуально. Пасты для металлизации под микросварку, как правило, обладают наивысшей адгезией в сравнении с другими их типами, поскольку испытывают существенные термомеханические воздействия при микросварке.
Второй тип дефектов связан с выходом стекла, содержащегося в составе паст и LTCC-керамики, на поверхность металлизации в процессе спекания (рис.4). Стекло в области микросварки существенно снижает прочность сварного соединения Для устранения этого в проводящие LTCC-пасты добавляют оксиды металлов. Основные дефекты, возникающие при внесении добавок в состав пасты, – появление пузырей в металлизации вследствие плохой совместимости материалов и изменение коэффициентов усадки материала во время отжига. При внесении соответствующих оксидов предотвращается миграция стекла на поверхность золотых проводников, не возникают паразитные эффекты в виде пустот и несоответствие коэффициентов усадки керамики и пасты в процессе обжига.
Для повышения надежности и прочности микросварного соединения на границе керамика–металлизация и в области микросварки рекомендуется применение проводящих паст со специальными неорганическими наполнителями. Разрушение микросварного соединения при испытаниях в таких системах происходит вследствие разрыва золотой проволоки (рис.5), и вышеперечисленные дефекты не наблюдаются. Использование специализированных паст для микросварки (например, Ferro CN30-80) обеспечивает существенное улучшение качества и надежности микросварного соединения.
При сварке Al проволокой/лентами на золотых поверхностях возникают дополнительные дефекты, такие как образование хрупких интерметаллических соединений и полостей внутри контакта (эффект Киркендаля). Они приводят к снижению механической прочности и увеличению контактного сопротивления в области микросварного соединения. Такие паразитные эффекты также устраняются подбором неорганических добавок и соотношения золотого порошка с частицами других металлов. В линейке Ferro материал для металлизации LTCC-керамики для микросварки алюминиевой проволокой и лентами представлен послевжигаемой пастой C3068N. Специально разработанные стекла для этой пасты обеспечивают высочайший уровень адгезии к подложке, а также содержание металлической составляющей в финишном покрытии, превышающее 95%. При спекании образуется плотное металлическое покрытие, пригодное для ультразвуковой сварки алюминиевой проволокой и лентами, причем влияние паразитных эффектов (образование хрупких интерметаллических соединений и эффект Киркендаля) полностью устранено.
Следует отметить, что толщина металлизации также играет важную роль в процессе микросварки: при тонком покрытии наблюдается недостаточная пластическая деформация Au металлизации, толстое же покрытие, являясь мягким, может гасить ультразвуковые колебания. Это приводит к сложности в настройке оборудования для микросварки и в большинстве случаев к низкой надежности соединения. Важно поэтому следовать рекомендациям производителя относительно нанесения паст под микросварку. Для печати проводящих паст Ferro CN30-080, CN30-025, C3068N, например, рекомендуется использовать сетчатый трафарет 325–400 меж с толщиной эмульсии 15–25 мкм. При этом толщина высушенного слоя составляет 8–25 мкм, а после обжига получается слой толщиной 5–13 мкм. Эти параметры печати также рекомендованы для получения поверхностей под пайку и химическое нанесение.
* * *
В целом следует отметить, что существуют два основных метода создания металлизации поверхности LTCC-изделий под микросварку: химическая металлизация (Ni/Au) и металлизация с помощью трафаретной печати (Au). Оба типа требуют специализированных проводящих паст.
Для химической металлизации используются пасты, адаптированные к процессу химического осаждения. В линейке материалов Ferro такие пасты (CN33-495) доступны только для LTCC-системы L8 для СВЧ-устройств, работающих на частотах до 31 ГГц.
Для металлизации поверхности трафаретной печатью компанией Ferro разработаны специализированные пасты Ferro CN30-080, CN30-025, обеспечивающие высокую прочность микросварного соединения и устойчивые к возникающим при микросварке термомеханическим нагрузкам. Эти проводящие пасты могут быть использованы для металлизации поверхности плат во всех LTCC-системах Ferro, в том числе и в Ferro A6, используемой для создания СВЧ-устройств, работающих на частоте до 110 ГГц. Таким образом, какая бы задача не стояла при производстве СВЧ-изделий с помощью технологии низкотемпературной совместно спекаемой керамики, эффективное решение может быть найдено среди LTCC-систем Ferro.
Со своей стороны представители предприятия будут рады способствовать решению задач в области проектирования и производства современной надежной СВЧ-техники. ▪
Золотая металлизация обладает высокой коррозионной стойкостью, низким удельным электрическим сопротивлением и устойчивостью к миграции. За счет этого она используется для создания высоконадежных СВЧ-устройств в военной и аэрокосмической отраслях. С технологической точки зрения золотая металлизация применяется для создания поверхностей под пайку низко- и высокотемпературными припоями (AuGe, AuSi, AuSn), а также для металлизации поверхностей под микросварку (Au/Al проволока, ленты).
Серебряная металлизация позволяет снизить стоимость LTCC-изделий и применяется, как правило, для производства СВЧ-приборов телекоммуникационного, автомобильного и медицинского назначения. Поверхность, металлизированная серебряной проводящей пастой, пригодна только для низкотемпературной пайки или для химического осаждения. Стоит отметить, что серебряное покрытие само по себе не пригодно для микросварки Au/Al проволокой, лентами, поэтому его металлизируют золотом (химически с подслоем никеля) или отказываются от серебряной металлизации в пользу специализированных золотых паст для микросварки.
Таким образом, для создания поверхности под микросварку Au/Al проволокой/лентами в LTCC-системах существуют две основные технологии:
трафаретная печать проводящих золотых паст под микросварку с последующим их вжиганием при 800–900˚С;
химическое осаждение Ni/Au-покрытия на специализированные серебряные пасты.
Выбор технологии определяется стоящими задачами, а также наличием необходимого оборудования. Трафаретная печать специализированными золотыми пастами позволяет получать максимальную надежность микросварного соединения, а использование химической металлизации дает возможность в ряде случаев снизить себестоимость изделий.
Химическое осаждение, как способ металлизации LTCC-плат
Химическое осаждение – хорошо известная, широко используемая и экономически эффективная технология создания Ni/Au-металлизации подложек. Она может быть использована для осаждения тонких и толстых пленок. Однако качество (однородность и чистота) осажденных слоев в значительной степени определяется параметрами процесса нанесения.
Если рассматривать технологию применительно к LTCC, то специализированные проводящие пасты позволяют создавать Ni/Au химическую металлизацию керамических плат под пайку и под микросварку в едином цикле (рис.1). Это дает возможность снизить стоимость используемых материалов и изделий в целом.
Разработка паст под химическое осаждение – высокотехнологичный и сложный процесс. Состав таких паст отличается от типовых и подбирается с учетом воздействия химических реактивов при осаждении. Попытки использования обычных проводящих паст, как правило, приводят к плохой адгезии и низкой надежности паяного или микросварного соединения в последующем.
Для химической металлизации в LTCC-системах Ferro существует специализированная паста CN33-495. Рекомендованная толщина этой пасты при печати составляет 15 мкм (11 мкм после вжигания), а толщина Ni/Au-металлизации для микросварки – 4 и 1,5 мкм, соответственно. Металлизация пастами Ferro CN33-495 выдерживает испытания на термоциклирование и термостарение (85˚С/85% влажности) в течение 1000 ч. Стоит отметить, что качество покрытия, созданного при химической металлизации, даже с использованием специализированных паст в сильной степени определяется параметрами осаждения.
Основные сложности процесса химического осаждения в LTCC-технологии: плохая адгезия покрытий, их пористость (рис.2), наличие загрязнений (ионные, органические, кислотные). К тому же пасты для химического осаждения доступны не для всех представленных на рынке LTCC-систем. Например, в линейке LTCC-материалов Ferro такие пасты существуют только для системы L8 (пасты CN33-495 и CN33-498), которая разработана для СВЧ-устройств, работающих на частотах до 31 ГГц. По этой причине, если рабочие частоты будущего изделия превышают 31 ГГц, и необходимо создать поверхность под микросварное соединение, то рекомендуется использовать систему Ferro A6 со специальными проводящими пастами для металлизации поверхности.
Таким образом, химическая металлизация LTCC-плат позволяет снизить стоимость изделия. Однако в связи со сложностью процесса осаждения и ограниченным выбором представленных на рынке специализированных проводящих LTCC-паст, она не является универсальным решением.
ТолстоплЕночная технология. Пасты для металлизации поверхности LTCC-плат
Толстопленочная технология является наиболее эффективным способом создания пленок толщиной в единицы и десятки микрометров. В LTCC-технологии формирование толстых проводящих пленок осуществляется специализированными пастами с помощью трафаретной печати. Данный метод металлизации поверхности является основным в производстве LTCC-изделий (рис.3).
Проводящие пасты для металлизации поверхности в LTCC-технологии представляют собой смесь порошков металлов, специальных добавок (стекол или оксидов) и органических веществ. Смешивание компонентов паст для получения максимальной однородности и удаления конгломератов частиц производится сначала с помощью миксера, затем в трехвалковой мельнице.
Порошки металлов получают химическим восстановлением из растворов. Типичный размер частиц металлического порошка для проводящих LTCC-паст составляет менее 20 мкм. Во время низкотемпературного обжига порошок спекается, образуя ровную гладкую проводящую поверхность, что способствует снижению потерь СВЧ на поверхности проводников.
Стекла и оксиды в составе паст обеспечивают адгезию проводящего слоя к материалу керамики, а также способствуют спеканию частиц металла при пониженной температуре. Эти добавки являются наиболее важной и сложной частью LTCC проводящих паст. Химический состав и качество стекол/оксидов в большой степени определяют адгезионную прочность металлизации к подложке, прочность микросварного соединения, качество поверхности металлизации, а также соответствие коэффициентов усадки паст и керамики во время обжига. Количество неорганических добавок в пасте варьируется от десятых долей до нескольких процентов. Увеличение содержания стекол и оксидов, с одной стороны, улучшает механические свойства металлизации, а с другой, – увеличивает электрическое сопротивление проводящего слоя. Поэтому разработчики паст стараются найти "золотую середину" и, как правило, состав, качество и количество добавок являются главным секретом проводящих паст для LTCC-технологии.
Органические материалы служат связующим для получения пастообразной массы, пригодной для трафаретной печати. Такое вещество определяет вязкость, тиксотропность пасты и играет важную роль в обеспечении высокого качества нанесения. При температурной обработке органика удаляется из состава паст, и остаются только металлы, оксиды и стекла. Важно, чтобы полное удаление органики происходило до температуры стеклования компонентов LTCC-керамики, иначе неизбежно образование пор и пустот в создаваемой металлизации.
Особенности применения паст для металлизации LTCC-плат под микросварку
Создание металлизированной поверхности под микросварку в LTCC-технологии требует использования специализированных паст на основе чистого золота для Au проволоки/лент и смеси золота с другими металлами (как правило, Pd) для Al проволоки/лент. При создании микросварного соединения, а также при последующей эксплуатации LTCC-устройств наблюдаются два основных дефекта металлизации поверхности: отрыв металлизации от керамической подложки, отрыв проволоки/ленты от поверхности металлизации. Оба дефекта в большей степени определяются качеством, количеством и типом неорганических добавок в пастах.
В зависимости от состава наполнителей, адгезионная прочность металлического покрытия к LTCC-подложке может существенно меняться. Входящие в состав паст стекла обеспечивают механическую, а оксиды металлов – химическую связь металлизации с подложкой. Обычно в составе паст содержатся и стекла, и оксиды, а пропорции смешивания подбираются для каждой пасты индивидуально. Пасты для металлизации под микросварку, как правило, обладают наивысшей адгезией в сравнении с другими их типами, поскольку испытывают существенные термомеханические воздействия при микросварке.
Второй тип дефектов связан с выходом стекла, содержащегося в составе паст и LTCC-керамики, на поверхность металлизации в процессе спекания (рис.4). Стекло в области микросварки существенно снижает прочность сварного соединения Для устранения этого в проводящие LTCC-пасты добавляют оксиды металлов. Основные дефекты, возникающие при внесении добавок в состав пасты, – появление пузырей в металлизации вследствие плохой совместимости материалов и изменение коэффициентов усадки материала во время отжига. При внесении соответствующих оксидов предотвращается миграция стекла на поверхность золотых проводников, не возникают паразитные эффекты в виде пустот и несоответствие коэффициентов усадки керамики и пасты в процессе обжига.
Для повышения надежности и прочности микросварного соединения на границе керамика–металлизация и в области микросварки рекомендуется применение проводящих паст со специальными неорганическими наполнителями. Разрушение микросварного соединения при испытаниях в таких системах происходит вследствие разрыва золотой проволоки (рис.5), и вышеперечисленные дефекты не наблюдаются. Использование специализированных паст для микросварки (например, Ferro CN30-80) обеспечивает существенное улучшение качества и надежности микросварного соединения.
При сварке Al проволокой/лентами на золотых поверхностях возникают дополнительные дефекты, такие как образование хрупких интерметаллических соединений и полостей внутри контакта (эффект Киркендаля). Они приводят к снижению механической прочности и увеличению контактного сопротивления в области микросварного соединения. Такие паразитные эффекты также устраняются подбором неорганических добавок и соотношения золотого порошка с частицами других металлов. В линейке Ferro материал для металлизации LTCC-керамики для микросварки алюминиевой проволокой и лентами представлен послевжигаемой пастой C3068N. Специально разработанные стекла для этой пасты обеспечивают высочайший уровень адгезии к подложке, а также содержание металлической составляющей в финишном покрытии, превышающее 95%. При спекании образуется плотное металлическое покрытие, пригодное для ультразвуковой сварки алюминиевой проволокой и лентами, причем влияние паразитных эффектов (образование хрупких интерметаллических соединений и эффект Киркендаля) полностью устранено.
Следует отметить, что толщина металлизации также играет важную роль в процессе микросварки: при тонком покрытии наблюдается недостаточная пластическая деформация Au металлизации, толстое же покрытие, являясь мягким, может гасить ультразвуковые колебания. Это приводит к сложности в настройке оборудования для микросварки и в большинстве случаев к низкой надежности соединения. Важно поэтому следовать рекомендациям производителя относительно нанесения паст под микросварку. Для печати проводящих паст Ferro CN30-080, CN30-025, C3068N, например, рекомендуется использовать сетчатый трафарет 325–400 меж с толщиной эмульсии 15–25 мкм. При этом толщина высушенного слоя составляет 8–25 мкм, а после обжига получается слой толщиной 5–13 мкм. Эти параметры печати также рекомендованы для получения поверхностей под пайку и химическое нанесение.
* * *
В целом следует отметить, что существуют два основных метода создания металлизации поверхности LTCC-изделий под микросварку: химическая металлизация (Ni/Au) и металлизация с помощью трафаретной печати (Au). Оба типа требуют специализированных проводящих паст.
Для химической металлизации используются пасты, адаптированные к процессу химического осаждения. В линейке материалов Ferro такие пасты (CN33-495) доступны только для LTCC-системы L8 для СВЧ-устройств, работающих на частотах до 31 ГГц.
Для металлизации поверхности трафаретной печатью компанией Ferro разработаны специализированные пасты Ferro CN30-080, CN30-025, обеспечивающие высокую прочность микросварного соединения и устойчивые к возникающим при микросварке термомеханическим нагрузкам. Эти проводящие пасты могут быть использованы для металлизации поверхности плат во всех LTCC-системах Ferro, в том числе и в Ferro A6, используемой для создания СВЧ-устройств, работающих на частоте до 110 ГГц. Таким образом, какая бы задача не стояла при производстве СВЧ-изделий с помощью технологии низкотемпературной совместно спекаемой керамики, эффективное решение может быть найдено среди LTCC-систем Ferro.
Со своей стороны представители предприятия будут рады способствовать решению задач в области проектирования и производства современной надежной СВЧ-техники. ▪
Отзывы читателей
