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另辟蹊径浅谈电阻技术之陶瓷基板篇

Resistor.Today 2019-09-17 20:12 次阅读

        说到陶瓷,一般人就很容易的联想到磁砖、陶瓷器皿、浴缸、或是景陶瓷艺术品,这些通称为传统陶瓷。


        而对于被动元件的基板,它们属于精细陶瓷(Fine Ceramics)。采用高纯度无机材料为原料,经过精确控制化学组成及均匀度,再经过一定方式成形,最后高温烧结而成。其具有足够高的机械强度,低介电常数,低热膨胀系数,高热导率,良好的化学稳定性等优点,得到了广泛的应用。


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表 陶瓷基板的性质


        对于需求最为广泛的片式薄膜与厚膜电阻器来说,陶瓷基板材料的机械性能和电气性能对电阻膜层有非常大的影响,我们将从几个角度来介绍基板性能对电阻膜层的影响。



表面粗糙度

        表面粗糙度,是指连续表面上峰点、谷点与中心线的平均偏差,用Ra表示,单位为um。表面粗糙度越小,则表面越光滑。而基片表面粗糙度参数,对电阻膜层连续性有重要影响。举一个极端例子:对于薄膜电阻器,若薄膜膜层厚度仅为200Å~400Å(0.02um~0.04um),此厚度的膜层覆盖在1um(10000Å)的粗糙表面上,这种膜沿高山和深谷蔓延,结果是电阻器的阻值变化很大。有较大可能形成不完全的、断裂的、有裂纹的不连续膜。

 

介电损耗

        对于基板材料来说,其相关特性还有介电损耗。其由介电材料中极化电流滞后电压相位角的正切来表征,它与信号频率和电路分布参数C、R的关系是:

2.jpg

        δ称为损耗角。δ值大,信号会以发热的形式发送损耗,甚至消失,对于高频应用来说,介电损耗极为重要。

 

介电常数

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        信号传输速度v与基板介电常数的平方根成反比。因此,对于高速回路,要求基板有更低的介电常数。

 

热导率

        一些大功率应用,对基板提出了高散热的要求,需要采用高热导率基板,如AlN基板和BeO基板等。对于电阻而言,采用高热导率基板可以实现相同尺寸下更大的额定功率。

 

热膨胀系数

        对于不同元件,对热膨胀系数要求不同。对于半导体芯片,要求基板的热膨胀系数与Si越接近越好,因此可以大大降低大规模集成电路运行-停止温度循环中产生的应力,此应用一般采用SiC基板。对于金属箔电阻而言,考虑到箔片热膨胀与陶瓷基板相匹配实现低温漂因素,基板的热膨胀系数需要重点考量。

 

陶瓷制造工艺

        陶瓷烧成前典型的成形方法为流延成型,容易实现多层化且生产效率较高。


4.jpg

电阻常用陶瓷基板

氧化铝陶瓷基板:

        从现实情况来看,广泛使用的还是Al2O3基板,同时其加工技术与其他材料相比也是最先进的。按含氧化铝(Al2O3)的百分数不同可分为:75瓷、96瓷、99.5瓷。氧化铝含有量不同,其电学性质几乎不受影响,但是其机械性能及热导率变化很大。纯度低的基板中玻璃相较多,表面粗糙度大。纯度越高的基板,越光洁、致密、介质损耗越低,但是价格也越高。

        所以薄膜电阻和厚膜电阻,他们所采用的氧化铝基板也不完全相同。


5.jpg

图 不同氧化铝含量的基板对比

氮化铝陶瓷基板:

        氮化铝陶瓷是以氮化铝粉体为主晶相的陶瓷。相比于氧化铝陶瓷基板,绝缘电阻、绝缘耐压更高,介电常数更低。其热导率是Al2O3的7~10倍,热膨胀系数(CTE)与硅片近似匹配,这对于大功率半导体芯片至关重要。在生产工艺上,AlN热导率受到残留氧杂质含量的影响很大,降低含氧量,可明显提高热导率。目前工艺生产水平的热导率达到170W/(m·K)以上已不成问题。


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图 氧化铝基板与氮化铝基板特性对比


7.jpg

图 氧化铝基板与氮化铝基板特性对比


氮化铝陶瓷基板:

        氧化铍基板的热导率是Al2O3基板的十几倍,适用于大功率电路,而且介电常数又低,可用于高频电路。BeO基板用于一般用作大功率微波散热基板。缺点是BeO粉尘与蒸汽的毒性对人体伤害很大,存在环境问题。


8.jpg

图 基板的热导率与温度的关系


        我们对比了市面上相同尺寸(100mm×100mm×1mm)、不同材料的陶瓷基板价格:

        96%氧化铝9.5元,99%氧化铝18元,氮化铝150元,氧化铍650元,可以看出来不同的基板价格差距也比较大。


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