代替氧化鈹用于射頻功率器件的氮化鋁電阻元件

1、應(yīng)用

氮化鋁電阻器和終端被設(shè)計為當今使用的現(xiàn)有氧化鈹產(chǎn)品的直接替代品。然后，這些氮化鋁器件定義了一類通用的非氧化鈹射頻電阻功率產(chǎn)品。應(yīng)用包括射頻功率放大器、隔離器、吸收濾波器和功率組合器。

2、鋁歷史

氮化鋁陶瓷基板作為通用電絕緣散熱器和薄膜基板已在射頻行業(yè)使用多年，傳統(tǒng)上氮化鋁電阻器件是使用薄膜技術(shù)構(gòu)建的。但由于薄膜工藝成本高昂，其應(yīng)用受到限制。隨著無線行業(yè)的興起以及隨后對具有成本效益和安全的氧化鈹替代品的需求，制造商已轉(zhuǎn)向成本更低的厚膜技術(shù)來滿足需求。

3、厚膜氮化鋁

用于氧化鋁和氧化鈹?shù)暮衲は到y(tǒng)是多年前開發(fā)的，一直是射頻功率電阻行業(yè)的主力軍。氧化鋁用于高達約5W的功率水平，而氧化鈹用于高達800w的更高功率。然而，將厚膜技術(shù)轉(zhuǎn)移到氮化鋁陶瓷基板并不是一件簡單的事情。為氧化鋁和氧化鈹開發(fā)的厚膜電阻器和導(dǎo)體系統(tǒng)不適用于氮化鋁陶瓷，因為氧化鉛玻璃鍵合系統(tǒng)發(fā)生在厚膜漿料和氧化鋁之間或氧化鈹陶瓷材料在燒制時可被氮化鋁陶瓷基板還原。

在氮化鋁陶瓷上涂敷專為氧化鋁或氧化鈹設(shè)計的厚膜漿料會導(dǎo)致電阻器和金屬薄膜與氮化鋁陶瓷的粘合力不一致，這通常歸因于氮化鋁陶瓷材料的不一致性。厚膜與陶瓷的粘附是組件長期可靠性的關(guān)鍵。由于無線行業(yè)最近對具有成本效益和安全的氧化鈹替代品的需求，厚膜漿料制造商最近開發(fā)了厚膜氮化鋁漿料系統(tǒng)。將這些漿料系統(tǒng)與經(jīng)過適當處理的氮化鋁陶瓷基板一起使用，可以在氮化鋁陶瓷基板上提供厚膜電阻元件的新產(chǎn)品。

厚膜附著力的另一個關(guān)鍵是適當制備氮化鋁陶瓷材料。在氮化鋁燒結(jié)過程中，Al3O3+Y2O3 被驅(qū)趕到陶瓷表面，這會阻礙厚膜的粘附，必須通過研磨襯底來去除。

4、比較測試

作為比較的基準，我們針對行業(yè)標準的厚膜氧化鈹和薄膜氮化鋁產(chǎn)品對厚膜氮化鋁進行了測試。由于薄膜附著力是主要關(guān)注點，測試集中在指出這些類型故障的實驗上。為保持一致性，所有三個系統(tǒng)的測試均在同一部件上進行——150W、法蘭安裝、50?端接。照片中顯示的部件是一個0.250" x 0.375"陶瓷芯片，安裝在鍍鎳銅法蘭上，采用 SN96焊料。對每種系統(tǒng)類型的多個部件進行了引線拉力、剪切測試、熱循環(huán)、薄膜溫度和電阻器飽和度測試。

5、引線拉力測試

將0.050寬x0.006厚的銀帶引線焊接到三種部件上相同尺寸的導(dǎo)體焊盤上，然后將其拉至破壞，其平均結(jié)果列于表2中。所有三個系統(tǒng)的水平拉力都非常出色，而薄膜氮化鋁和厚膜氧化鈹?shù)拇怪崩y試似乎更好。

6、剪切試驗

每種類型的零件都用SN96焊料焊接到鍍鎳法蘭上，然后破壞性地從法蘭上剪下，平均結(jié)果列于表 3 中。純粹的測試表明，所有系統(tǒng)都具有出色的初始粘合力，正如預(yù)期的那樣，BeO 力更好, 厚膜AlN略好于薄膜AlN系統(tǒng)。

7、熱循環(huán)測試

雖然剪切測試是衡量漿料與陶瓷的初始粘合力的良好方法，但部件的熱循環(huán)提供了長期可靠性的良好衡量標準。氮化鋁陶瓷基板和銅法蘭之間的熱膨脹系數(shù) (TCE) 差異會在材料中產(chǎn)生應(yīng)力，該應(yīng)力必須被焊料/厚膜膏界面吸收。零件的熱循環(huán)可作為極好的加速壽命測試。簡單地在接近恒定的溫度下耗散部件中的功率并不能表明部件的長期可靠性，也不代表部件的最壞工作條件。粘合層必須從熱到冷反復(fù)施加應(yīng)力，才能真正獲得粘合層吸收應(yīng)力而不失效的有用測量。

選擇銅法蘭材料和SN96焊料以提供對厚膜對陶瓷基板的長期粘附力的比較加速測量。銅的TCE是氮化鋁的TCE的3.6倍，SN96焊料的抗拉強度接近6000 psi。所有三個版本的零件都用螺栓固定在一個微處理器控制的冷卻板上，法蘭下方有少量導(dǎo)熱油脂。零件在100%的額定功率(DC)和最高法蘭溫度下循環(huán)使用。圖1所示的循環(huán)曲線旨在提供一個非常加速和惡劣的環(huán)境以加速故障。結(jié)果列于表4。

在第 300次和第378次 熱循環(huán)之間，所有三個部件均出現(xiàn)故障。由于焊料和/或厚膜中形成微裂紋而發(fā)生故障，這些微裂紋隨著每個額外的熱循環(huán)而傳播，從而增加了陶瓷和法蘭之間的熱阻。當熱阻增加到整個系統(tǒng)的熱梯度變得足夠大的程度時，就會出現(xiàn)熱失控情況，并且部件會失效。從數(shù)據(jù)來看，所有三種系統(tǒng)類型都在同一范圍內(nèi)失敗。

8、薄膜厚度

三個系統(tǒng)中的每一個的部件都安裝在溫度為100°C和耗散功率為150 W的受控散熱器上。薄膜溫度測量可以很好地指示終端的熱阻。使用紅外熱探頭進行薄膜溫度測量。結(jié)果列于表 5。正如預(yù)期的那樣，由于陶瓷的較低熱阻，BeO部分表現(xiàn)出較低的膜溫度。薄膜和厚膜AlN部分彼此相差幾度。

由于氧化鈹?shù)陌踩珕栴}，氮化鋁線將是一個受歡迎的替代方案。厚膜氮化鋁工藝的可靠性和可重復(fù)性取決于正確制備氮化鋁陶瓷以及使用專門為氮化鋁開發(fā)的漿料。所提供的測試表明，為氮化鋁陶瓷設(shè)計的厚膜漿料的性能至少與薄膜氮化鋁產(chǎn)品一樣好，并接近厚膜氧化鈹產(chǎn)品。

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