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Matt Sgriccia、Frank Sandoval和Ryan Persons
Heraeus Precious Metals North America Conshohohocken LLC
24 Union Hill Road
West Conshohohocken，PA 19428 USA

罗庆生，贺利氏电子，18015657860

摘要

40多年来，设计和制造传统混合电路的首选基板一直是氧化铝。它提供了正确电路操作所需的机械强度、电阻率和热性能。然而，在过去几年中，我们经历了混合技术向具有高度复杂、密集电路配置的电子设备的转变，这些电子设备比以前的设计产生更多的功率，从而产生更多的热量。这需要使用具有更高导热性的基板来正确管理传热和散热，以保持终端设备的最佳性能和功能。氮化铝显示的热性能为设计工程师提供了一种可靠的替代传统氧化铝的方法。

在创造新的令人兴奋的可能性的同时，氮化铝的使用也为厚膜供应商和电路制造商带来了一系列不同的挑战。由于热膨胀失配，以及在烧制过程中影响附着力的基板发生的化学变化，以前适用于氧化铝的厚膜浆料通常与氮化铝不相容。为了克服这一挑战以及高功率、高可靠性电路应用的性能要求，贺利氏开发了一种符合RoHS和REACH标准的新型厚膜浆料。此外，我们还开发了电阻浆料和兼容的玻璃釉。本文将讨论上述厚膜材料及其可靠性测试前后的关键性能。这包括导体的附着力、电阻值及其TCR。

关键词

附着力，氮化铝，可靠性，电阻，厚膜，TCR

一、导言

厚膜混合电路技术以一种基板和元器件集成形式出现了近60年【1】。与典型的覆铜线板相比，厚膜在更小的封装中提供了类似或优异的性能，具有更好的散热优势。传统上，用于印刷混合电路的基板是氧化铝。它成功地满足了大多数功能操作要求：体积电阻率、高温稳定性、低表面粗糙度、可接受的导热性，以及与用于制造导体、电阻器、电介质和玻璃釉的各种材料（玻璃、金属氧化物和贵金属）的兼容性。此外，它提供了一个宽的处理窗口，有助于最大限度地减少厚膜的性能变化。然而，市场已不断需求更高功率密度和更好热量的小型设备耗散以提高设备性能。为了有效地制作这些设备，热导率必须比氧化铝基板所能提供的还要高。为了满足这一要求，更具导热性的氮化铝基板得到使用。如表1【2】所示，根据制造商的不同，氮化铝的热导率可以比氧化铝高7.5到10倍，同时在相同的工艺窗口内仍保持类似的功能特性。

表1：氧化铝和氮化铝陶瓷基板的性能比较

出于上述原因，在电力电子和功率LED封装中，氮化铝似乎是比氧化铝更好的选择。然而，氮化铝还具有其他固有特性，这给厚膜供应商带来了挑战，尤其是在附着力方面。氮化铝的热膨胀系数比氧化铝低得多。厚膜电路常用的氧化铝为96%，其余主要为玻璃相，厚膜浆料中的玻璃和氧化铝96瓷中的玻璃相在烧结时形成键接，从而达到很好的附着力，但AlN表面却没有这些玻璃相，所以常规的用于氧化铝96瓷的浆料无法用于AlN上，且因为热膨胀不匹配可能导致零件烧制后弯曲和/或开裂。氮化铝在高于700°C的温度下也会氧化，通常用于氧化铝的许多玻璃会加速和增强氧化，产生游离氮，从而破坏薄膜，导致起泡，从而直接影响附着力以及导电性和电气性能。贺利氏通过开发一系列厚膜浆料产品允许在氮化铝上构建混合电路。我们将讨论各种多层混合电路，重点介绍几种导体（银、银钯、银铂、铜和金）以及两种电阻膏，玻璃釉。对于导体，我们将详细说明几个关键性能特性，如初始附着力和长期可靠性测试后的附着力，包括150°C老化附着力和85°C/85%RH（相对湿度）。将对金导体进行相同的测试；然而，附着力将基于金丝键合。对于电阻浆料，我们将在进行可靠性测试后测量电阻变化和TCR（电阻温度系数），无论是否使用上釉。

二、加工厚膜导体（银、银钯）

在2"x2"的Maruwa氮化铝（AlN-170）基板上印制了以下导体浆料：CL80-11157（Ag）、C2360（6:1 Ag/Pd）。在两个零件上进行了初始和重新燃烧的附着力试验。其余10个零件用于可靠性测试。其中5个用于150°C老化，5个用于85°C/85%RH试验。

对于银、银钯的导线通过线径为1.3 mil的280目/0.5 mil的乳胶膜不锈钢丝网，使用70硬度的刮板。印刷后，将零件流平10分钟并放置在150°C的箱式炉中10分钟，以确保浆料完全干燥。在烧结炉中停留10分钟的850°C峰值温度。

图1显示了每个导体的烧结微观结构的SEM图像。导体内的玻璃/金属氧化物在导体和基板之间的界面处形成了一层结晶，这会产生一种对粘合至关重要的机械粘合。CL80-11157(1a) 和 C2360（1b），结晶的的微观结构非常相似。这是因为导体具有类似的玻璃和金属氧化物化学性质。

图1：氮化铝厚膜导体的截面

为了准备用于附着力测试的样品（图2），将锡铅丝焊接到每个已烧结的样品上的80 x 80 mil导体焊盘上。样品在250°C下浸入Alpha 615 RMA助焊剂并放入无铅SAC305（Sn96.5/Ag3.0/Cu-0.5）焊料中5秒钟。焊接后，引线弯曲成90度角。使用Zwick/Roell Z2.5剥离测试仪，移除电线并测量附着力。

图2：使用Alpha 615 RMA助焊剂在250°C下通过SAC305焊料对导体和导线连接至导体焊盘的可焊性测试

三、附着力性能评估

表2列出了各导体的特性。浆料的粘度和流变性适合丝网印刷应用。烧成膜厚度和电阻率测量基于之前概述的加工条件。

表2：导体浆料特性

图3显示了初始和重复烧结的附着力结果。对于大多数应用，大于4.0磅的初始附着力值被认为是可以接受的。正如预期的那样，再次烧结后附着力降低。这可归因于多种因素：导体内玻璃成分的回流、玻璃/金属氧化物与金属颗粒反应方式的变化和/或与氮化铝基板氧化相关的化学反应。通常，再次烧结后，可以接受大于3.0磅的附着力。除CL80-11157（Ag）略低于外，C2360超过了3.0磅的附着力目标。表3和表4分别说明了150°C老化和85°C/85%相对湿度可靠性试验的结果。

图3：导体附着力（初始与3次重复烧结）

150°C老化结果（表3）表明CL80-11157（Ag）、C2360（Ag/Pd）导体的初始（1x烧结）附着力在1000小时后>4.0磅。老化后，CL80-11157（Ag）对于单次烧结的样品附着力几乎不变，但对于3次烧结的样品，附着力是增加的。

85°C/85%相对湿度研究的结果（表4）表明，所有导线的初始（1x燃烧）附着力均超过了4.0磅的目标值。再次，我们注意到多次烧结后的附着力在双85试验后有所降低。

四、金导体加工

在2“x2”的Maruwa氮化铝（AlN-170）基板上印制一层C5730金导体。印刷、干燥和烧制试验条件与前面讨论的导体相同。烧成后，使用1.25密耳金丝，在2个样品（30次拉拔样品）上测量初次烧成、3次再烧成和5次再烧成的金导体附着力。图4显示了金的微观结构和引线键合。烧制导体的横截面用4a表示。与之前的导体（图1）的方式大致相同，在界面处形成了一层玻璃层，形成了一种机械结合，有助于提高附着力值。图4b显示了完整的导线键合，而4c和4d显示了4b中所示楔形键合和球形键合的高倍视图。粘结层干净，无开裂或分层迹象。在1x、3x、5x燃烧后，还对两个样品进行了附着力测试，以进行以下可靠性测试：在150°C和85°C下老化，在0、48、100、250、500和1000小时下进行85%相对湿度测试。

图4：C5730金导体在氮化铝上和金线键合的SEM照片。

金导体属性/性能评估

C5730金导体的粘度为280–380 Pa-s，使用Brookfield HBT粘度计在25°C温度下使用6R杯，SC4-14号轴，在10rpm下测量。在12μm的标准化厚度下，固体含量为84–87%，电阻率<5.5毫欧/平方。附着力结果见图5和图6。通常，金线粘结附着力>12克，界面断线是可取的。正如我们在图5中所看到的，初始和再烧结后的附着力没有统计差异。中值保持不变。

图6显示了150°C老化、85°C/85%RH和-55–150°C热循环可靠性研究产生的导线粘结附着力。结果表明，初始、3次再烧和5次再烧之间的附着力没有显著差异。此外，1000小时老化后、1000小时85°C/85%RH和1000次热循环后的值实际上大于初始附着力。数值范围为14-17克，远高于12克的目标值。

六、电阻器加工

最初为氧化铝开发的两种无铅电阻浆料与氮化铝具有良好的兼容性。R2211为10Ω/□电阻浆料，R2221为Ω/□电阻浆料。印刷、干燥和烧制条件与上述导体浆料相同。电阻器印刷在已有C2360（银/钯）导体的样品上。两个样品分别用于3次再烧和5次再烧试验。六个样品用于可靠性测试。两个样品用于150°C老化，两个样品用于85°C/85%RH，两个用于热循环（-55°C–150°C）测试。  

还有六个样品印刷了玻璃釉浆料（IP9002）。IP9002通过200目筛网印刷，使用70硬度计刮板，钢丝直径为1.6密耳，乳胶厚度为0.5密耳。干燥后，在600°C下烧制，在峰值温度下停留5分钟。在这些样品上进行可靠性测试的方式与无釉的样品相同。在有釉和无釉的每个条件下，测量电阻变化以及+TCR和-TCR。

七、电阻器/印刷釉后特性和性能评估

表5列出了R2211和R2221电阻器的特性。

表5：电阻器印刷后情况

表6和表7列出了R2211和R2221电阻器在多次烧结后以及使用IP9002釉后的电阻变化。正如预期的那样，电阻随着多次烧结而降低。我们还观察到，在印刷有釉之后，电阻变化是可预测和可再现的。

表6：电阻多次重烧变化

表7：电阻有玻璃釉的变化

表8-10显示了在150°C老化、85°C/85%RH和-55°C–150°C热循环可靠性测试后，R2211和R2221与有IP9002釉的电阻变化。在150°C和85°C/85%RH下1000小时后，有釉的电阻变化小于5%，这在10%的典型行业标准范围内。同样，500次热循环后的变化在目标限值内。

表8：电阻变化（150°C老化）

表9：电阻变化（85°C/85%相对湿度）

表10：电阻变化（TC：-55°C–150°C）

表11-12显示了150°C老化和85°C/85%RH（有或没有IP9002釉）后的TCR值。热TCR测量在125°C下进行，冷TCR测量在-55°C下进行。在老化研究中，当用玻璃釉时，两个电阻器的热TCR和冷TCR变化很小。而在85°C/85%RH研究中，有釉层时TCR的变化很大（表12）。

表11：热态和冷态TCR（150°C老化）

表12：热态和冷态TCR（85°C/85%相对湿度）

八、结论

贺利氏已开发出用于氮化铝基板的符合RoHS和REACH兼容的无铅厚膜浆料，这包括银、银/钯和金导体，以及两个具有兼容玻璃釉的电阻浆料。所提供的数据清楚地表明，这些产品的性能特征与为氧化铝基板设计的传统厚膜浆料相似。对于大多数导体，可靠性测试前后测得的附着力值满足标准工业厚膜要求。与导体非常相似，10欧姆和100欧姆电阻器可产生良好的性能结果。这包括可重复生产的稳定阻值、优异的再烧性以及在进行可靠性测试后（无论是否有玻璃釉）可预测的TCR值。

目前贺利氏开发的用于AlN基板的材料如下表所列：

所以该系列产品为需要使用氮化铝改善散热的应用提供了理想的解决方案。这解决了工业对高密度汽车混合动力车、加热器总成和LED照明的需求及更多功率电子产品的应用。

参考文献

【1】 R.G.Loasby和P.J.Holmes“厚膜技术的发展（书体，书名和编辑）Keith Pitt”，《厚膜技术手册》第二版。Keith Pitt Ed. Electrochemical Publications Limited，2005年，第1章，第23页。

【2】马鲁瓦-http://www.maruwa-g.com/e/products/ceramic/ceramic-substrate-3.html

新一代3D硅锂离子电池的设计和制造领导者Enovix公司（Nasdaq：ENVX）今日宣布，将携手电子元器件代理商益登科技（TWSE：3048)共同支持泛亚区的出货、经销及市场扩展。

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Enovix通过直接聘雇以及携手通路商的方式拓展亚洲市场。与益登科技的合作，更加助力Enovix拓展全球消费电子市场。

关于Enovix

Enovix是开发及生产先进硅阳极锂离子电池的领先企业。公司独家的3D电芯架构可增进能量密度，并维持高生命周期。为了量产先进的硅阳极锂离子电池，Enovix正在美国兴建制造厂。公司的初步目标是针对同类领先的移动设备来为设计人员提供高能效电池，使其能打造出更加创新且有效的便携式产品。Enovix也正在为电动车和储能市场开发3D电芯技术与生产流程，以助广为运用再生能源。详情参见www.enovix.com。

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8月16日，第十届中国电子信息博览会（CITE 2022）在深圳举办。深圳市人民政府副市长张华，广东省工业和信息化厅党组成员、副厅长曲晓杰，工业和信息化部电子信息司副司长史惠康出席开幕式并先后致辞。中国电子信息产业集团有限公司党组书记、董事长芮晓武出席开幕式。中国电子信息产业集团有限公司党组成员、副总经理陈锡明，中国科学院院士、深圳国际量子研究院院长俞大鹏，天马微电子股份有限公司党委书记、董事长彭旭辉，香港中文大学（深圳）国际事务研究院院长、广州粤港澳大湾区研究院理事长郑永年等嘉宾在开幕峰会上先后发表演讲。

史惠康在致辞中表示，过去一年，面对复杂严峻的国内外形势和诸多风险挑战，在党中央、国务院的坚强领导下，电子信息产业砥砺攻坚、奋发作为，为提升产业链供应链韧性、推动中国经济行稳致远贡献力量。2021年，规模以上电子信息制造业营业收入突破14万亿元，同比增长14.7%，占工业营业收入比重达11.0%，已连续九年保持工业第一大行业地位。今年上半年，规模以上电子信息制造业增加值同比增长10.2%，高于规上工业增加值增速6.8个百分点，为保持经济运行在合理区间提供了有力支撑。集成电路、新型显示、5G、人工智能等领域技术创新密集涌现，超高清视频、虚拟现实、先进计算等领域发展步伐进一步加快，信息技术与实体经济的融合日益深入，持续赋能经济社会智能化转型。

史惠康指出，今年是实施“十四五”规划的关键之年，也是党和国家事业发展进程中十分重要的一年。工业和信息化部将团结在以习近平同志为核心的党中央周围，坚持稳中求进的工作总基调，坚持深化供给侧结构性改革，聚焦集成电路、新型显示、通信设备、智能硬件等重点领域，加快锻造长板、补齐短板，不断提升产业创新活力，增强产业链供应链韧性，全方位加速赋能经济社会发展，为构建制造强国、质量强国、网络强国、数字中国提供有力支撑，以优异成绩迎接党的二十大胜利召开。

曲晓杰在致辞中表示，当前电子信息产业已成为广东省第一大支柱产业，广东已成为我国最大的电子信息产品生产制造基地、全球最重要的电子信息产业集聚区，并朝着世界级电子信息产业集群发展不断迈进。2021年，广东规模以上电子信息制造业营业收入4.56万亿元，占全国32.3%，已连续31年位居全国第一；广东电子信息制造业企业有10家营收超1000亿元，19家企业进入2021年中国制造业500强，24家企业进入2021年全国电子信息百强，33家企业进入2021年全国电子元器件百强，数量均居全国第一。

曲晓杰强调，2022年是党的二十大召开之年，广东省将以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，深入贯彻落实习近平总书记对广东重要讲话和指示批示精神，在省委、省政府的领导下，在国家部委的指导下，推动广东制造强省、网络强省、数字经济强省建设，培育以新一代电子信息产业集群为代表的20个战略性产业集群，大力发展半导体及集成电路、消费电子、超高清视频、硅能源等产业，将出台一系列政策措施大力支持关键核心技术攻关，进一步优化完善产业链供应链供给能力，加快推动数字产业化和产业数字化，引进重大项目，布局重大平台，打造特色产业园区，营造良好的产业发展环境，使电子信息产业成为推动实体经济提质增效、促进工业经济平稳增长、助力粤港澳大湾区建设的重要支撑力量。

张华在致辞中指出，十年来，中国电子信息博览会已成为享誉全球的行业盛会，是推动国内外电子信息产业交流合作的桥梁。今年以来，深圳出台了“20+8”产业集群等系列政策，其中20大战略性新兴产业集群包括网络与通信、智能终端、半导体和集成电路、超高清视频、智能传感器等5个电子信息领域的集群，占比达1/4。深圳将一如既往支持中国电子信息博览会的发展，进一步深化与国内外电子信息领域的企业、高校、科研机构的交流与合作，坚持创新驱动发展战略，加快建设世界级新一代信息技术产业发展的高地。

开幕峰会上，陈锡明 、郑永年 、俞大鹏、彭旭辉等嘉宾围绕网信产业、量子计算、新型显示等电子信息产业热点话题发表演讲，全方位、深层次地把脉未来电子信息产业发展趋势。

第十届中国电子信息博览会创新金奖在开幕峰会上发布。来自相关行业协会、顾问咨询机构、权威媒体等20余位专家按照技术领先性、市场竞争性、设计新颖性、功能适用性、环保先进性等指标，进行严格评审，共评审出10项第十届中国电子信息博览会金奖、81项第十届中国电子信息博览会创新奖。

据了解，自2013年首次举办以来，中国电子信息博览会经过十年的不断发展，现已成为亚洲规模最大、产业链最全、活动内容最丰富的、影响力提升最快的年度盛会。本届博览会以“奋进十载 智创未来”为主题，展出面积超过10万平方米，设立了CITE主题馆、新型显示及应用馆、元宇宙及虚拟现实技术专馆、智电生活馆、电子数字生活馆、大数据云计算馆、新一代信息通信产业集群馆、智能驾驶及汽车技术馆、基础电子馆等九大展馆20大专业展区，吸引了中国长城、麒麟软件、金山办公、易捷行云、戴尔、海信、创维、瑞萨、工业富联、英伟达、蔚来汽车等1400余家企业参展，万余件新产品、新技术及新服务在展会上悉数亮相。

博览会期间，还同步举办“5G+行业应用”“数字生活”“信息技术应用”“大数据应用”“超高清显示技术”“集成电路”六大专业板块垂直领域论坛，以及多场新一代信息技术产业行业活动。

工业和信息化部相关司局负责同志，广东省委、省政府，深圳市委、市政府相关部门领导，相关省市工业和信息化主管部门相关负责同志，有关部属单位、高校，行业学协会领导，参与电子信息博览会展览及相关活动的企业领导，以及新闻媒体记者等出席了开幕式及开幕峰会。

今日，纳芯微电子（以下简称“纳芯微”，科创板股票代码688052）携公司高性能高可靠性模拟及混合信号芯片产品组合参加2022国际集成电路展览会暨研讨会（IIC）。IIC 2022以“创新求变、坚定向前”为主题，于8月16-17日在南京国际博览中心2号馆举行。纳芯微为业界带来最新的技术干货和全面的汽车电子、工业和消费电子的应用解决方案。

纳芯微亮相2022国际集成电路展览会暨研讨会

“双碳”目标驱动，助力汽车电动化与智能化发展

应对全球气候变化挑战，在碳减排和提高能源效率的目标驱动下，可再生能源、新能源技术的应用在汽车和工业等领域得到快速发展。汽车方面，根据市场调研数据，2022年，我国汽车产销量预计达到2700万辆，其中，新能源汽车约650万辆。至2026年，预计我国新能源汽车规模将达到1600万辆；清洁能源方面，光伏发电已成为能源转型的中坚力量。目前光伏发电与传统化石能量发电相比已经具备成本优势，进入平价时代。据国家能源局数据统计，2021年中国新增光伏并网装机容量53GW，同比增长约10%，连续9年稳居世界首位；工业控制方面，在新能源、光伏、物流、机器人等下游市场的发展带动下，自2020年开始，工业自动化多个季度持续增长。

纳芯微此次展出的隔离电流采样、隔离半桥、电机驱动系统、直流有刷马达驱动、磁性角度传感器、电流传感器以及压力传感器等方案适用于汽车OBC、电驱、燃油、发动机系统、工业变频、伺服、自动化、光伏、以及家电等系统应用中。

此外，纳芯微总监张方文、运营副总裁姚迪受邀，将分别于8月16日和17日在2022国际“碳中和”电子产业发展高峰论坛和中国IC领袖峰会分享关于汽车电子市场和技术趋势的深度解读。自2016年起，纳芯微开始布局车规级产品，现有信号感知、系统互联、功率驱动三大产品方向，均有符合 AEC-Q100 可靠性测试标准的产品型号，提供全面的汽车电子解决方案。

纳芯微汽车电子解决方案

关于IIC

IIC 2022汇聚了众多行业标杆企业、最新技术、创新产品和解决方案，大会期间将举办多场平行论坛活动，邀请国内外电子及应用领域的知名专家、企业家与会分享前瞻创新技术和半导体产业发展趋势，聚焦垂直行业前沿话题，是中国具有影响力的系统设计盛会之一。

关于纳芯微

纳芯微电子（简称纳芯微，科创板股票代码688052）是高性能高可靠性模拟及混合信号芯片设计公司。自2013年成立以来，公司聚焦信号感知、系统互联、功率驱动三大方向，提供传感器、信号链、隔离、接口、功率、驱动、电源管理等丰富的半导体产品及解决方案，并被广泛应用于汽车、工业、信息通讯及消费电子领域。

纳芯微以『“感知”驱动“未来”，构建万物互联的“芯”世界』为使命，致力于为数字世界和现实世界的连接提供芯片级解决方案。

如需了解更多纳芯微产品信息以及最新资讯，欢迎莅临南京国际博览中心，参观纳芯微展台（IB05）或登陆官网：www.novosns.com。