陶瓷覆銅基板檢測:精密與可靠性的保障
在功率半導體、射頻器件、激光器封裝等高精尖領域,陶瓷覆銅基板(如常見的氧化鋁/Al?O? 和氮化鋁/AlN 覆銅基板)因其優異的導熱性、電氣絕緣性、機械強度以及與芯片相匹配的熱膨脹系數,成為不可或缺的關鍵基礎材料。其質量直接影響著最終電子器件的性能、可靠性和使用壽命。因此,建立一套科學、嚴謹、全面的檢測流程至關重要。以下是一套完整的陶瓷覆銅基板檢測體系:
一、 核心檢測目標
- 確保結構完整性: 無裂紋、崩邊、分層、氣泡等內部及表面缺陷。
- 保障電氣可靠性: 滿足絕緣性能要求,無短路、漏電流過大風險。
- 保證尺寸及精度: 符合設計圖紙要求,滿足后續組裝精度。
- 驗證材料性能: 確認導熱系數、熱膨脹系數、機械強度等關鍵參數達標。
- 評估界面結合強度: 銅層與陶瓷基體間的結合力(剝離強度)是長期可靠性的核心。
- 控制表面質量: 銅層表面光潔度、平整度、無污染、氧化等影響焊接或鍵合。
二、 主要檢測項目與方法
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外觀檢查:
- 方法: 肉眼觀察(使用充足光源)、光學顯微鏡(低倍到高倍)。
- 檢測內容:
- 基板表面: 劃痕、凹坑、凸起、污漬、色差、異物、邊緣崩缺/毛刺。
- 銅層表面: 氧化變色、凹坑、劃痕、異物、腐蝕斑點、起泡、鼓包。
- 圖形邊緣: 毛刺、缺口、鉆蝕(側蝕)。
- 孔內壁: 異物殘留、銅層覆蓋不良(孔破)。
- 標準: 依據相關產品規范或行業標準(如 IPC 等),通常要求無影響性能和可靠性的明顯缺陷。
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尺寸與結構測量:
- 方法: 精密卡尺、千分尺、高度規、坐標測量儀、投影儀、激光測量儀。
- 檢測內容:
- 外形尺寸: 長、寬、厚(總厚及各層厚度)。
- 圖形精度: 線寬、線距、導體寬度、焊盤尺寸、孔位與間距。
- 孔徑: 金屬化孔(PTH)、非金屬化孔(NPTH)的孔徑。
- 翹曲度/平整度: 基板整體的平面度(常采用三點彎曲法測量)。
- 孔位精度: 孔的位置偏移度。
- 標準: 嚴格對照設計圖紙要求,公差通常在微米級別。
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覆銅層質量檢測:
- 銅厚測量:
- 方法: X射線熒光測厚儀(XRF,無損,常用)、金相切片顯微鏡測量(破壞性,最準確)、渦流測厚儀。
- 標準: 符合設計規范(通常要求嚴格公差)。
- 剝離強度測試:
- 方法: 專用拉力試驗機。將特定寬度的銅箔通過強力膠帶粘貼在基板銅層上,垂直向上剝離,測量所需的最大剝離力。
- 標準: 這是最關鍵的性能指標之一,通常要求大于 8 N/cm(具體值根據應用和要求而定,越高越好)。需注意測試樣條位置(導體區優于空白區)、測試方向和速度。
- 可焊性測試:
- 方法: 焊錫槽浸潤法、焊錫球法。評估焊錫在銅層表面的鋪展能力。
- 標準: 焊錫應均勻、連續、光滑地覆蓋在待焊表面,無收縮、針孔等不良現象。
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電氣性能測試:
- 絕緣電阻測試:
- 方法: 在特定導體圖形間(如相鄰線條、線路與地平面)施加高壓直流電(如500V),測量其電阻值(通常在100V/500V條件下測試)。
- 標準: 要求極高,通常必須達到 >10¹? Ω(10 GΩ)甚至 >10¹² Ω級別(1 TΩ),以保證良好的電氣隔離。
- 耐壓測試(介電強度):
- 方法: 在導體間施加遠高于工作電壓的交流或直流高壓(如數kV),保持一定時間(如1分鐘),檢查是否發生擊穿放電。
- 標準: 無擊穿、無閃絡現象,符合安全規范和設計要求。
- 導通性測試:
- 方法: 用萬用表或專用測試設備檢查設計應導通的金屬化孔(PTH)或導體路徑是否連通。
- 標準: 電阻值應極低(通常要求遠低于1Ω),確保電路連通。
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微觀結構與界面分析:
- 方法: 掃描電子顯微鏡(SEM)、金相顯微鏡(切片制備)。
- 檢測內容:
- 銅-陶瓷界面: 觀察結合情況,有無分層、空洞、裂紋、雜質。
- 銅層微觀結構: 晶粒大小、均勻性、是否存在孔洞。
- 陶瓷層: 致密度、晶粒大小、內部微裂紋、雜質。
- 孔內銅層: 覆蓋均勻性、有無空洞、裂縫(孔壁質量)。
- 標準: 界面結合緊密、連續,無明顯缺陷;各層材料致密均勻。
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熱性能評估:
- 熱導率測量:
- 方法: 激光閃射法(LFA,最常用,快速、準確)、穩態熱流法(精度高但耗時)。
- 標準: 實測值需達到材料標稱值(如Al?O? ≈24-28 W/mK, AlN ≈170-200 W/mK)。
- 熱膨脹系數匹配性:
- 方法: 熱機械分析儀測量材料本身的CTE。
- 考量: 雖不直接測基板整體CTE,但陶瓷和銅的CTE差異是導致熱應力的根源。需評估其與安裝的芯片(通常是Si、SiC、GaN等)的CTE匹配度以預測熱循環可靠性。
- 熱阻測量(可選):
- 方法: 在實際或模擬工況下(如加裝熱源和散熱器),測量特定路徑(如結到外殼或結到散熱器)的溫度梯度。
- 標準: 符合散熱設計要求。
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可靠性試驗(工藝驗證/抽樣評估):
- 熱循環試驗:
- 方法: 將樣品在設定的高低溫和時間區間內(如-55℃ ~ +125℃,停留15分鐘,轉換時間<1分鐘)進行多次循環(數百至數千次)。
- 目的: 評估基板在溫度變化下抵抗熱應力的能力,主要檢查銅層剝離、分層、斷裂。
- 高溫儲存試驗:
- 方法: 在高于正常工作溫度的環境下(如150℃)長時間存儲(如1000小時)。
- 目的: 評估材料長期高溫下的退化情況(如氧化、界面反應)。
- 試驗后檢測: 試驗后必須重新進行外觀、尺寸、剝離強度、絕緣電阻等關鍵項目檢測,對比試驗前后數據變化,評估可靠性。
三、 檢測環境與報告
- 環境要求: 檢測通常在潔凈度、溫濕度受控的實驗室環境中進行(如溫度23±5℃,相對濕度30-60%),避免環境因素干擾。
- 檢測記錄與報告: 所有檢測過程、儀器狀態、原始數據和結果(合格/不合格)應被清晰、完整地記錄。最終檢測報告應包含樣品信息、檢測項目、依據標準、檢測方法簡述、檢測結果、判定結論、檢測人員和日期等關鍵信息。
四、 重要性總結
陶瓷覆銅基板作為電子功率模塊的“骨架”和“散熱通道”,其質量是設備性能和可靠性的基石。一套科學、嚴謹、涵蓋從宏觀到微觀、從靜態到動態的全面檢測體系,是確保每一片基板都能滿足嚴苛應用需求的必備環節。通過嚴格的檢測流程,可以有效剔除潛在缺陷品,為后續的芯片貼裝、引線鍵合、封裝等工藝奠定堅實基礎,最終保障終端電子產品的高效、穩定、長壽命運行。持續的檢測數據積累和分析,也有助于工藝改進和質量提升。