Im elektronischen Verpackungsprozess sind Keramiksubstrate kritische Komponenten. Die Reduzierung der Fehlerrate von Keramiksubstraten ist von großer Bedeutung für die Verbesserung der Qualität elektronischer Geräte. Allerdings gibt es derzeit keine nationalen oder industriellen Standards für die Leistungsprüfung von Keramiksubstraten, was gewisse Schwierigkeiten für die Unternehmensproduktion und Produktwerbung mit sich bringt.
Zu den wichtigsten Leistungsindikatoren gehören derzeit das Aussehen des Substrats, die mechanischen Eigenschaften, die thermischen Eigenschaften, die elektrischen Eigenschaften, die Verpackungsleistung (Arbeitsleistung) und die Zuverlässigkeit.
Aussehensprüfung
Bei der Prüfung des Aussehens von Keramiksubstraten erfolgt im Allgemeinen eine visuelle Inspektion oder optische Mikroskopie. Zu den Prüfpunkten gehört, ob das Keramiksubstrat Risse oder Hohlräume aufweist und ob die Metallschichtoberfläche Kratzer, Abblätterungen oder Flecken aufweist. Darüber hinaus sind die Abmessungen des Keramiksubstrats, die Dicke der Metallschicht, die Oberflächenebenheit (Verzug) des Substrats und die Genauigkeit des Substratoberflächenmusters wichtige Aspekte, die einer sorgfältigen Prüfung bedürfen. Insbesondere bei Flip-{3}Chip- und hoch-dichten Verpackungen muss die Oberflächenebenheit im Allgemeinen weniger als 0,3 % betragen.
Angesichts der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Computertechnologie und der Bildverarbeitungstechnologie sowie der steigenden Arbeitskosten für Unternehmen konzentrieren sich Unternehmen in den letzten Jahren zunehmend auf den Einsatz künstlicher Intelligenz und Bildverarbeitungstechnologien bei der Transformation und Modernisierung der Fertigung. Auf maschineller Bildverarbeitung-basierte Erkennungsmethoden und -geräte werden nach und nach zu einem wichtigen Mittel zur Verbesserung der Produktqualität und zur Steigerung des Ertrags. Daher kann der Einsatz von Bildverarbeitungsgeräten zur Inspektion von Keramiksubstraten die Erkennungseffizienz verbessern, die Arbeitskosten senken und einen guten Anwendungswert haben.
Mechanische Leistungsprüfung
Die mechanischen Eigenschaften von Keramiksubstraten beziehen sich hauptsächlich auf die Bindungsstärke der Metallschaltkreisschicht, die die Haftfestigkeit zwischen der Metallschicht und dem Keramiksubstrat darstellt und direkt die Qualität der nachfolgenden Geräteverpackung bestimmt (Die-Bindungsstärke und -Zuverlässigkeit usw.). Die Haftfestigkeit von Keramiksubstraten, die mit verschiedenen Methoden hergestellt wurden, variiert erheblich. Planare Keramiksubstrate, die mit Hochtemperaturprozessen (wie TPC, DBC usw.) hergestellt werden, weisen eine höhere Bindungsfestigkeit auf, da die Metallschicht und das Keramiksubstrat durch chemische Bindungen verbunden sind. Keramiksubstrate, die mithilfe von Niedertemperaturprozessen hergestellt werden (z. B. DPC-Substrate), basieren jedoch hauptsächlich auf Van-der-Waals-Kräften und mechanischer Verzahnung, was zu einer geringeren Bindungsfestigkeit führt.
Zu den Testmethoden für die Metallisierungsfestigkeit von Keramiksubstraten gehören:
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Schematische Darstellung der Scherfestigkeitsprüfung/Zugfestigkeitsprüfung
(1) Klebebandmethode: Ein Stück Klebeband wird fest auf der Oberfläche der Metallschicht befestigt und mit einer Gummiwalze darüber gerollt, um Luftblasen in der Klebefläche zu entfernen. Nach 10 Sekunden wird das Klebeband mit einer Kraft senkrecht zur Metallschicht abgezogen und geprüft, ob sich die Metallschicht vom Untergrund ablöst. Der Tape-Test ist eine qualitative Testmethode.
(2) Drahtbondmethode: Ein Metalldraht mit einem Durchmesser von 0,5 mm oder 1,0 mm wird ausgewählt und durch Schmelzen des Lots direkt mit der Metallschicht des Substrats verschweißt. Anschließend wird mit einem Kraftmessgerät die Abzugskraft des Metalldrahts in vertikaler Richtung gemessen.
(3) Schälfestigkeitsmethode: Die Metallschicht auf der Oberfläche des Keramiksubstrats wird in 5 mm bis 10 mm lange Streifen geätzt (geschnitten) und dann mit einem Schälfestigkeitstester in vertikaler Richtung abgezogen, um die Schälfestigkeit zu messen. Die Schälgeschwindigkeit muss 50 mm/min betragen und die Messfrequenz beträgt 10 Mal/s.
Wärmeleistung
Die thermische Leistung von Keramiksubstraten umfasst hauptsächlich Wärmeleitfähigkeit, Wärmebeständigkeit, Wärmeausdehnungskoeffizient und Wärmewiderstand. Keramiksubstrate spielen hauptsächlich eine Rolle bei der Wärmeableitung bei Geräteverpackungen, daher ist ihre Wärmeleitfähigkeit ein wichtiger technischer Indikator; Bei der Hitzebeständigkeit wird hauptsächlich geprüft, ob sich das Keramiksubstrat bei hohen Temperaturen verzieht oder verformt, ob die Oberflächenmetallschaltkreisschicht oxidiert, sich verfärbt, Blasen bildet oder delaminiert und ob die internen Durchgangslöcher versagen.
Die Wärmeleitfähigkeitseigenschaften von Keramiksubstraten hängen nicht nur mit der Wärmeleitfähigkeit des Keramiksubstratmaterials (Wärmewiderstand der Masse) zusammen, sondern stehen auch in engem Zusammenhang mit der Materialgrenzflächenbindung (Wärmewiderstand des Grenzflächenkontakts). Daher kann die Verwendung eines Wärmewiderstandstesters (der den Massenwärmewiderstand und den Grenzflächenwärmewiderstand von mehrschichtigen Strukturen messen kann) die Wärmeleitfähigkeitsleistung von Keramiksubstraten effektiv bewerten.
Elektrische Leistung
Die elektrische Leistung von Keramiksubstraten bezieht sich hauptsächlich darauf, ob die Metallschichten auf der Vorder- und Rückseite des Substrats leitfähig sind (ob die Qualität der internen Durchgangslöcher gut ist). Aufgrund des geringen Durchmessers der Durchgangslöcher in DPC-Keramiksubstraten können beim Galvanisieren Fehler wie unvollständige Füllung und Luftporen auftreten. Im Allgemeinen können ein Röntgenprüfgerät (qualitativ, schnell) und ein Flying-Probe-Prüfgerät (quantitativ, kostengünstig) verwendet werden, um die Qualität der Durchgangslöcher in Keramiksubstraten zu bewerten.
Verpackungsleistung
Die Verpackungsleistung von Keramiksubstraten bezieht sich hauptsächlich auf Lötbarkeit und Luftdichtheit (beschränkt auf dreidimensionale Keramiksubstrate). Um die Stärke der Drahtbindung zu verbessern, wird im Allgemeinen eine Schicht aus Au oder Ag oder anderen Metallen mit guten Schweißeigenschaften galvanisch oder chemisch auf die Oberfläche der Metallschicht des Keramiksubstrats (insbesondere der Pads) aufgebracht, um Oxidation zu verhindern und die Qualität der Drahtbindung zu verbessern. Die Lötbarkeit wird im Allgemeinen mit einer Aluminiumdraht-Bondmaschine und einem Zugprüfgerät gemessen.
Der Chip wird im Hohlraum eines dreidimensionalen Keramiksubstrats montiert und der Hohlraum wird mit einer Abdeckplatte (Metall oder Glas) verschlossen, um eine hermetische Verpackung des Geräts zu erreichen. Die Luftdichtheit des Dammmaterials und des Schweißmaterials bestimmt direkt die Luftdichtheit der Geräteverpackung, und die Luftdichtheit dreidimensionaler Keramiksubstrate, die mit verschiedenen Methoden hergestellt wurden, variiert in gewissem Maße. Die Haupttests für dreidimensionale Keramiksubstrate konzentrieren sich auf die Hermetik des Dammmaterials und der Dammstruktur, hauptsächlich unter Verwendung der Fluorkohlenstoffölblasenmethode und der Helium-Massenspektrometermethode.