Изделия из керамики на основе оксида алюминия, нитрида алюминия и оксида бериллия производства АО «ТЕСТПРИБОР»
В силовой электронике и микроэлектронике применяются керамические подложки. С использованием процессов тонких или толстых пленок на керамических материалах в качестве основы, помимо проводящего рисунка, можно выполнять целые пленочные компоненты, такие как резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности.
В настоящее время промышленный прогресс требует от электроники постоянного увеличения уровня мощности, эффективности, надежности и прочности. Для современных устройств, в частности мощных РЧ- и СВЧ-передатчиков, силовых транзисторов, преобразователей мощности, надежность в условиях больших токов и высоких температур, безусловно, является ключевым фактором. Следовательно, подложки, используемые в современной электронике, должны иметь достаточно надежные характеристики, такие как максимальная рабочая температура (МРТ), коэффициент теплового расширения (КТР), электрическая изоляция (удельное сопротивление), теплопроводность и относительная диэлектрическая проницаемость.

Рис. 1. Образцы керамических подложек с металлизацией
Производством АО «ТЕСТПРИБОР» освоены технологии изготовления однослойных и многослойных печатных плат и подложек из керамики на основе оксида алюминия (Al2O3), нитрида алюминия (AlN) и оксида бериллия (BeO).
Изделия из указанных материалов характеризуются:
- высокой теплопроводностью;
- низким коэффициентом теплового расширения;
- низкими диэлектрическими потерями;
- высокой механической прочностью.
В таблицах 1 и 2 приведены характеристики применяемых керамических плат.
Материал |
Оксид алюминия (99,5%) |
Оксид алюминия (96%) |
Оксид бериллия (99,5%) |
Нитрид алюминия |
Химическая формула |
Al2O3 |
BeO |
AlN |
|
Температура плавления, °C |
+2072 |
+2514…+2626 |
+2397…+2507 |
|
Макс. рабочая температура, °C |
+1750 |
+1700 |
+800…+2045 |
+1027…+1727 |
Коэффициент теплового расширения, 1×10–6/°C |
7–8,4 |
8,2 |
7,4–9 |
4,3–9 |
Удельная теплоёмкость, Дж/кг·К |
880 |
750–1020 |
740–820 |
|
Теплопроводность, Вт/м·K |
25,5–35 |
20–25 |
209–330 |
60–177 |
Объемное удельное сопротивление, Ом•см |
>1е14 |
>1е16 |
>1е14 |
Материал подложки |
Чистота |
Шероховатость поверхности (А) |
Шероховатость поверхности (В) |
Относительная диэлектрическая проницаемость |
Тангенс угла диэлектрических потерь |
% |
мкм |
мкм |
На 1 МГц |
На 1 МГц |
|
Оксид алюминия (AL2O3) |
99,6 |
3 |
3 |
9,9 ±0,1 |
0,0001 |
Полированный оксид алюминия (AL2O3) |
|
1 |
1/12 |
||
Нитрид алюминия (AlN) |
98 |
3 |
3 |
8,6 |
0,001 |
Оксид бериллия (ВеО) |
99,5 |
10 |
6,5 |
0,0004 |
Компания «ТЕСТПРИБОР» изготавливает и поставляет различного рода спеченные керамические пластины толщиной 0,127–2 мм, выполненные из:
- оксида алюминия (Al2O3) — 92, 96 и 99%;
- нитрида алюминия (AlN) — 94%;
- оксида бериллия BeO.

Рис. 2. Механическая обработка керамики
Металлизация подложек и изделий из керамики осуществляется по толстопленочной технологии путем нанесения и вжигания паст, содержащих молибден и вольфрам. Возможно изготовление подложек с металлизацией медью (толщина до 300 мкм). Данные подложки используются при изготовлении силовых IGBT-модулей.
В процессе изготовления металлизированных керамических подложек АО «ТЕСТПРИБОР» освоены и реализованы следующие технологические процессы:
- механическая обработка керамики (резка, скрайбирование, прошивка отверстий);
- нанесение металлизации вольфрамом или молибденом толщиной 20–25 мкм;
- нанесение металлизации медью толщиной до 300 мкм.
Металлизация (печать) наносится как на индивидуальные, так и на групповые заготовки, обеспечивая расстояние между проводниками не менее 50 мкм.

Рис. 3. Оборудование для нанесения металлизации на керамические подложки
Качество нанесения металлизации (толщина и стабильность) достигается:
- использованием высококачественных материалов (паст);
- строгим контролем параметров используемых материалов и трафаретов;
- применением высокоточных установок трафаретной печати.
Процесс вжигания паст и обжига сырой металлизированной керамики производится в колпаковых печах в контролируемой азотно-водородной среде при температурах в диапазоне +1300…+1700 °С.

Рис. 4. Процесс вжигания паст и обжига сырой металлизированной керамики в колпаковой печи
Покрытие никель-золото:
- электрохимическое никелирование — толщина покрытия до 30 мкм;
- электрохимическое никелирование сплавом никель-фосфор — толщина покрытия до 30 мкм;
- химическое никелирование никель-фосфор и никель-бор — толщина покрытия до 10 мкм;
- химическое золочение — толщина покрытия до 2,5 мкм.
В том случае, когда на детали предусмотрено большое количество изолированных поверхностей (например, при производстве печатных плат), а изделие имеет сложную форму, предпочтительно использовать химический способ нанесения покрытия. Такая технология позволяет значительно повысить качество покрытия.
Для формирования подслоя под золотое покрытие, а также других технологических целей, в том числе на металлизацию, выполненную из тугоплавких материалов (молибден, вольфрам), на диэлектрических подложках (керамика) используются покрытия сплавами никель-бор или никель-фосфор. Толщины покрытий в основном не превышают 10 мкм.

Рис. 5. Образцы продукции с покрытием никель-золото
При необходимости на никелевое покрытие возможно нанести слой золота, выполненный химическим или иммерсионным способами, толщина наносимого покрытия золотом может гарантированно достигать 2,5–3 мкм. Проведенные испытания изделий с таким покрытием показали, что оно сохраняет паяемость и антикоррозионные свойства.
Выводы
На производстве АО «ТЕСТПРИБОР» освоены технологии полного цикла изготовления керамических печатных плат. В качестве подложек используются различные виды спеченной алюмооксидной, алюмонитридной, бериллиевой керамики.
Высокое качество печатных плат достигается за счет:
- изготовления керамических подложек для печатных плат в полном соответствии с предъявляемыми к изделию требованиями;
- использования высококачественных трафаретов для печати, изготавливаемых из определенных материалов с заданными характеристиками;
- строгого контроля физических параметров паст для печати,
- грамотно подобранных составов паст, а также режимов нанесения и вжигания металлизации;
- особого внимания к проектированию оборудования и оснастки, обеспечивающих повторяемость по толщине и характеристикам металлизации и покрытия внутри партии и равномерность гальванического и химического покрытия на одном изделии настолько, насколько позволяют его геометрические характеристики;
- уникальных современных составов, позволяющих наносить как классические покрытия, так и редко используемые при обычной практике — например, золотое покрытие, выполненное химическим способом до толщины более 2 мкм;
- контроля качества изделий, который производится в несколько этапов по многим параметрам на 100% продукции.