กระบวนการ DBC สำหรับการผลิตวัสดุรองรับเซรามิก

กระบวนการ DBC (Direct Bonded Copper) สร้างพันธะทางโลหะวิทยาถาวรระหว่างทองแดงและเซรามิกผ่านการออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูงอย่างควบคุมได้ การทำความเข้าใจกระบวนการผลิตนี้ช่วยให้วิศวกรสามารถกำหนดคุณสมบัติของวัสดุที่ตรงตามข้อกำหนดด้านความน่าเชื่อถือ และช่วยให้ทีมจัดซื้อประเมินความสามารถของซัพพลายเออร์ได้

ที่ Highleap Electronics เราปฏิบัติตามกระบวนการผลิต DBC ที่ควบคุมอย่างเข้มงวดและมาตรฐานคุณภาพที่สม่ำเสมอ เพื่อให้มั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพที่เสถียรของวัสดุพื้นฐานสำหรับการใช้งานด้านอิเล็กทรอนิกส์กำลัง คู่มือนี้จะอธิบายหลักการพื้นฐานของการประมวลผล DBC และมีจุดประสงค์เพื่อช่วยให้วิศวกรเข้าใจข้อกำหนดของกระบวนการ กำหนดข้อกำหนดที่เหมาะสม และประเมินซัพพลายเออร์ได้อย่างมั่นใจยิ่งขึ้น

---

1) ภาพรวมของกระบวนการ DBC

กระบวนการ DBC เป็นเทคนิคการผลิตเฉพาะทางสำหรับการสร้างแผ่นวงจร DBCซึ่งเป็นแผ่นวงจรเซรามิกที่มีตัวนำทองแดงยึดติดโดยตรงกับพื้นผิวเซรามิกโดยไม่ต้องใช้กาวตัวกลาง กระบวนการนี้ได้รับการพัฒนาขึ้นในทศวรรษ 1970 และได้กลายเป็นวิธีการมาตรฐานสำหรับการผลิตแผ่นวงจรประสิทธิภาพสูงสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง

แตกต่างจาก การผลิตแผงวงจรพิมพ์แบบดั้งเดิมที่อาศัยการยึดติดทางกลหรือกาว กระบวนการ DBC สร้างพันธะทางเคมีที่ส่วนต่อประสานระหว่างทองแดงและเซรามิก พันธะนี้เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาที่ควบคุมอย่างระมัดระวังโดยมีออกไซด์ของทองแดงเป็นตัวกลาง ส่งผลให้ได้ความแข็งแรงของพันธะและการนำความร้อนที่ยอดเยี่ยม

กระบวนการผลิตนี้ต้องใช้อุปกรณ์เฉพาะทาง รวมถึงเตาเผาอุณหภูมิสูงที่สามารถควบคุมบรรยากาศได้อย่างแม่นยำ ห้องปลอดเชื้อสำหรับขั้นตอนที่ไวต่อการปนเปื้อน และระบบตรวจสอบเพื่อยืนยันคุณภาพการเชื่อมต่อ ข้อกำหนดเหล่านี้ทำให้การผลิต DBC แตกต่างจากการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป

---

2) หลักการของการเชื่อมต่อทองแดงกับเซรามิกโดยตรง

หลักการพื้นฐานของเทคโนโลยี DBC คือการสร้างชั้นออกไซด์ของทองแดงที่บริเวณรอยต่อระหว่างทองแดงกับเซรามิก ซึ่งจะทำปฏิกิริยากับวัสดุทั้งสองเพื่อสร้างพันธะถาวร กระบวนการนี้เกิดขึ้นที่อุณหภูมิใกล้จุดยูเทคติกของทองแดงกับออกซิเจน (1065°C)

2.1 กลไกการยึดเหนี่ยว

เมื่อแผ่นฟอยล์ทองแดงสัมผัสกับเซรามิกที่อุณหภูมิสูงในบรรยากาศออกซิเจนที่ควบคุมได้ ลำดับเหตุการณ์ต่อไปนี้จะเกิดขึ้น:

• การเกิดออกซิเดชันบนพื้นผิว: ทองแดงบริเวณรอยต่อจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันกลายเป็น Cu₂O (คิวปรัสออกไซด์)
• การเกิดยูเทคติก: ที่อุณหภูมิประมาณ 1065°C ทองแดงและคิวปรัสออกไซด์จะเกิดเป็นของเหลวยูเทคติกที่บริเวณรอยต่อ
• การเปียกของเซรามิก: ของเหลวจะซึมและแทรกซึมเข้าไปในพื้นผิวเซรามิก
• การแข็งตัว: เมื่อเย็นตัวลง บริเวณรอยต่อจะแข็งตัว ทำให้เกิดพันธะทางโลหะวิทยาที่แข็งแรง

สำหรับเซรามิกอะลูมินา (Al₂O₃) การยึดเกาะเกิดขึ้นจากการผสมผสานระหว่างการประสานทางกลและปฏิกิริยาทางเคมีระหว่างออกไซด์ของทองแดงกับพื้นผิวเซรามิก ส่วนในกรณีของอะลูมิเนียมไนไตรด์ (AlN) อาจต้องมีการเตรียมพื้นผิวเพิ่มเติม เนื่องจากชั้นออกไซด์ตามธรรมชาติของ AlN อาจขัดขวางการยึดเกาะได้

2.2 พารามิเตอร์กระบวนการที่สำคัญ

• อุณหภูมิ: ต้องควบคุมอุณหภูมิอย่างแม่นยำภายใน ±2°C เพื่อให้แน่ใจว่าเกิดการก่อตัวของยูเทคติกอย่างเหมาะสมโดยไม่ทำให้ทองแดงหลอมเหลวมากเกินไป
• ความดันย่อยของออกซิเจน: ควบคุมความหนาของชั้นออกไซด์ หากบางเกินไปจะขัดขวางการยึดเกาะ หากหนาเกินไปจะทำให้เกิดออกซิเดชันมากเกินไป
• ระยะเวลาที่อุณหภูมิที่กำหนด: เพียงพอสำหรับการทำให้เปียกทั่วถึง แต่ไม่นานเกินไปจนทำให้เกิดการขยายตัวของผลึกในทองแดง
• อัตราการทำความเย็น: ส่งผลต่อความเค้นตกค้างและศักยภาพในการเกิดรอยแตกของเซรามิก

---

3) ขั้นตอนการผลิตที่สำคัญ

การผลิตแผ่นรองพื้น DBC นั้นเป็นไปตามลำดับขั้นตอนที่กำหนดไว้ ซึ่งแต่ละขั้นตอนมีความสำคัญต่อคุณภาพของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย การทำความเข้าใจขั้นตอนเหล่านี้จะช่วยให้วิศวกรและผู้ซื้อสามารถประเมินความสามารถของซัพพลายเออร์ได้

3.1 การเตรียมวัสดุ

• การตรวจสอบเซรามิก: แผ่นเซรามิกที่ส่งเข้ามาจะได้รับการตรวจสอบหาข้อบกพร่องบนพื้นผิว ความเรียบ และการปนเปื้อน
• การเตรียมทองแดง: แผ่นฟอยล์ทองแดงปราศจากออกซิเจนจะได้รับการตรวจสอบและทำความสะอาดเพื่อขจัดคราบน้ำมันและออกไซด์บนพื้นผิว
• รักษาพื้นผิว: เซรามิกบางชนิด โดยเฉพาะอย่างยิ่ง AlN จำเป็นต้องมีการออกซิเดชันที่พื้นผิวหรือการบำบัดอื่นๆ ก่อนการยึดติด

3.2 การยึดติด

• การประกอบแบบเรียงซ้อน: แผ่นฟอยล์ทองแดงถูกวางไว้บนด้านใดด้านหนึ่งหรือทั้งสองด้านของแผ่นเซรามิก
• การบรรจุเตาเผา: ชิ้นส่วนประกอบต่างๆ จะถูกนำเข้าเตาอบอุณหภูมิสูงที่มีระบบควบคุมบรรยากาศ
• การดำเนินการตามโปรไฟล์ความร้อน: การควบคุมอุณหภูมิอย่างแม่นยำ การคงอุณหภูมิ และรูปแบบการระบายความร้อน จะดำเนินการตามประเภทของเซรามิก
• การตรวจสอบหลังการประกันตัว: การตรวจสอบด้วยสายตาและการตรวจสอบด้วยคลื่นอัลตราโซนิคช่วยยืนยันความสมบูรณ์ของรอยเชื่อม

3.3 การออกแบบวงจร

• การประยุกต์ใช้โฟโตเรซิสต์: สารต้านทานแสงจะถูกเคลือบหรือลามิเนตลงบนพื้นผิวทองแดง
• การเปิดรับและการพัฒนา: รูปแบบวงจรถูกถ่ายทอดโดยใช้กระบวนการโฟโตลิโทกราฟี
• การกัดกรดทองแดง: ทองแดงที่ไม่ต้องการจะถูกกำจัดออกโดยใช้สารกัดกร่อนเฟอร์ริกคลอไรด์หรือคิวปริกคลอไรด์
• ป้องกันการลอก: สารไวแสงส่วนที่เหลือจะถูกกำจัดออกไป เหลือไว้เพียงลวดลายวงจรทองแดง

3.4 การตกแต่งพื้นผิว

• การชุบนิกเกิล: ช่วยป้องกันการเกิดออกซิเดชันและมีพื้นผิวที่สามารถบัดกรีได้
• การชุบทอง: ใช้สำหรับพื้นผิวที่สามารถเชื่อมต่อด้วยลวดได้ หรือต้องการเพิ่มความทนทานต่อการกัดกร่อน
• การชุบเงิน: ใช้สำหรับงานยึดชิ้นส่วนด้วยเงินเผาผนึก

3.5 การแยกและการประมวลผลขั้นสุดท้าย

• การสลักด้วยเลเซอร์: มีการเซาะร่องบนเซรามิกเพื่อสร้างเส้นแบ่งสำหรับวัสดุแต่ละชิ้น
• การหักหรือตัด: แผ่นวัสดุแต่ละแผ่นจะถูกแยกออกจากกันตามแนวเส้นที่ขีดไว้
• การตรวจสอบขั้นสุดท้าย: การตรวจสอบขนาด การตรวจสอบด้วยสายตา และการทดสอบทางไฟฟ้า
• บรรจุภัณฑ์: แผ่นรองรับวัสดุจะถูกบรรจุในภาชนะที่ป้องกันไฟฟ้าสถิตและมีคุณสมบัติป้องกันความชื้น

---

4) ความท้าทายของกระบวนการและจุดควบคุม

กระบวนการผลิต DBC มีความท้าทายเฉพาะตัวที่ต้องอาศัยการควบคุมกระบวนการอย่างระมัดระวัง การทำความเข้าใจความท้าทายเหล่านี้จะช่วยในการกำหนดข้อกำหนดด้านคุณภาพที่เหมาะสม

4.1 การเกิดช่องว่างพันธะ

ช่องว่างบริเวณรอยต่อระหว่างทองแดงและเซรามิกจะลดการนำความร้อนและอาจทำให้เกิดจุดร้อนเฉพาะที่ใต้เครื่องใช้ไฟฟ้า สาเหตุได้แก่ การปนเปื้อน การควบคุมบรรยากาศไม่เพียงพอ และการควบคุมอุณหภูมิที่ไม่เหมาะสม ผู้ผลิตที่มีคุณภาพจะใช้กล้องจุลทรรศน์อะคูสติกแบบสแกน (SAM) เพื่อตรวจจับและวัดปริมาณช่องว่างในรอยต่อ โดยทั่วไปจะระบุเปอร์เซ็นต์ช่องว่างสูงสุด (เช่น น้อยกว่า 2% ของพื้นที่ทั้งหมด)

4.2 การแตกร้าวของเซรามิก

ความแตกต่างของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ระหว่างทองแดงและเซรามิก ทำให้เกิดความเครียดทางความร้อนระหว่างการระบายความร้อน หากการระบายความร้อนเร็วเกินไปหรือไม่สม่ำเสมอ เซรามิกอาจแตกได้ การปรับกระบวนการให้เหมาะสมจะช่วยปรับสมดุลอัตราการระบายความร้อนเพื่อลดความเครียดในขณะที่ยังคงรักษาประสิทธิภาพการผลิตไว้ อัตราส่วนความหนาของเซรามิกและความหนาของทองแดงก็มีผลต่อแนวโน้มการแตกร้าวเช่นกัน

4.3 คุณภาพการเคลือบผิว

การประกอบอุปกรณ์ไฟฟ้าต้องใช้คุณสมบัติพื้นผิวที่แม่นยำเพื่อให้การยึดติดของชิปและการเชื่อมต่อสายไฟเป็นไปอย่างน่าเชื่อถือ ความหนา ความสม่ำเสมอ และการควบคุมการปนเปื้อนของการชุบส่งผลโดยตรงต่อผลผลิตในการประกอบขั้นต่อไป พารามิเตอร์ที่สำคัญ ได้แก่ ค่าความคลาดเคลื่อนของความหนาในการชุบ ความหยาบของพื้นผิว และความสะอาด

4.4 การควบคุมมิติ

กระบวนการผลิตที่ใช้อุณหภูมิสูงอาจทำให้เกิดการบิดเบี้ยวและการเปลี่ยนแปลงขนาด ข้อกำหนดเกี่ยวกับความเรียบ (โดยทั่วไป <0.1 มม. ต่อ 25 มม.) ความคลาดเคลื่อนของขนาด และการจัดเรียงระหว่างแบบจำลองทองแดงและชิ้นส่วนเซรามิก จำเป็นต้องมีการควบคุมกระบวนการอย่างระมัดระวังตลอดกระบวนการผลิต

---

5) ความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพในการทดสอบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

ความน่าเชื่อถือของวัสดุรองรับ DBC ภายใต้การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับงานด้านอิเล็กทรอนิกส์กำลัง พารามิเตอร์ของกระบวนการเชื่อมต่อส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพความน่าเชื่อถือในระยะยาว

5.1 กลไกการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

ในระหว่างการทดสอบด้วยความร้อนและความเย็น ความแตกต่างของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ระหว่างทองแดงและเซรามิกจะสร้างความเค้นแบบวนซ้ำที่บริเวณรอยต่อ เมื่อผ่านการทดสอบหลายรอบ ความเค้นนี้อาจทำให้เกิดรอยแตกร้าวจากความล้าที่บริเวณรอยต่อระหว่างทองแดงและเซรามิก และในที่สุดก็จะลุกลามผ่านเนื้อวัสดุ ลักษณะความเสียหายที่พบได้ ได้แก่ การแยกชั้น การแตกร้าวของทองแดง และการแตกหักของเซรามิก

5.2 ปัจจัยที่มีผลต่ออายุการใช้งานภายใต้สภาวะการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

• ความหนาทองแดง: ทองแดงที่หนาขึ้นจะทำให้เกิดความเค้นมากขึ้น ความหนาที่เหมาะสมจะช่วยสร้างสมดุลระหว่างการรับกระแสไฟฟ้าและความน่าเชื่อถือ
• การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ: ค่า ΔT ที่มากขึ้นจะเร่งการเกิดความล้า อุณหภูมิในช่วง -40°C ถึง +150°C จะทำให้เกิดความต้องการมากกว่าช่วง 0°C ถึง +100°C
• วัสดุเซรามิก: Si₃N₄ มีประสิทธิภาพในการทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิได้ดีกว่า เนื่องจากมีความทนทานต่อการแตกหักสูงกว่า
• คุณภาพของพันธะ: ช่องว่างและพันธะที่อ่อนแอจะเร่งให้เกิดความล้มเหลว
• รูปทรงของวงจร: มุมแหลมและช่องว่างแคบๆ ทำให้เกิดการกระจุกตัวของความเค้น

5.3 มาตรฐานการทดสอบ

โดยทั่วไป ความน่าเชื่อถือในการทดสอบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจะได้รับการตรวจสอบตามมาตรฐานอุตสาหกรรม เช่น AQG 324 (มาตรฐานการรับรองสำหรับยานยนต์) หรือโปรโตคอลการทดสอบเฉพาะของลูกค้า เงื่อนไขการทดสอบทั่วไป ได้แก่ การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจาก -40°C ถึง +125°C หรือ -55°C ถึง +150°C โดยมีจำนวนรอบการทดสอบตั้งแต่ 1,000 ถึง 5,000 รอบขึ้นไป ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดของแอปพลิเคชัน

ติดต่อฝ่ายวิศวกรรมกระบวนการ

6) กระบวนการ DBC ส่งผลต่อคุณภาพของพื้นผิวสุดท้ายอย่างไร

ทุกขั้นตอนในกระบวนการผลิต DBC มีผลต่อคุณภาพและประสิทธิภาพของวัสดุพื้นผิวสำเร็จรูป เมื่อประเมินซัพพลายเออร์หรือกำหนดคุณสมบัติของวัสดุพื้นผิว ควรพิจารณาว่าความสามารถของกระบวนการส่งผลกระทบอย่างไรบ้าง:

• ประสิทธิภาพการระบายความร้อน: ปริมาณช่องว่างในพันธะส่งผลโดยตรงต่อความต้านทานความร้อน ระบุเปอร์เซ็นต์ช่องว่างสูงสุดที่ต้องการ
• ความน่าเชื่อถือทางไฟฟ้า: คุณภาพและกระบวนการผลิตเซรามิกมีผลต่อประสิทธิภาพการปล่อยประจุบางส่วนที่แรงดันสูง
• ผลผลิตจากการประกอบ: คุณภาพของพื้นผิวมีผลต่ออัตราความสำเร็จในการยึดชิ้นส่วนและการเชื่อมต่อสายไฟ
• ความน่าเชื่อถือในระยะยาว: พารามิเตอร์ของกระบวนการเชื่อมประสานจะเป็นตัวกำหนดอายุการใช้งานจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

บริษัท Highleap Electronics รักษามาตรฐานการควบคุมกระบวนการอย่างเข้มงวดตลอดกระบวนการผลิต DBC โรงงานของเรามีอุปกรณ์ตรวจสอบขั้นสูงสำหรับการตรวจจับช่องว่างในการเชื่อม การตรวจสอบขนาด และการวิเคราะห์คุณภาพพื้นผิว หากต้องการข้อมูลโดยละเอียดเกี่ยวกับ ความสามารถในการ ผลิต PCB เซรามิก ของเรา หรือต้องการปรึกษาหารือเกี่ยวกับความต้องการเฉพาะของคุณ ทีมวิศวกรของเราพร้อมให้ความช่วยเหลือ

เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการเลือกวัสดุเซรามิกที่เหมาะสมได้ใน คู่มือ วัสดุรองรับเซรามิก DBC ของเรา หรือสำรวจตัวเลือกการสร้างต้นแบบได้ที่หน้าบริการสร้างต้นแบบวัสดุรองรับ DBC ของเรา

หากต้องการภาพรวมที่ครอบคลุมเกี่ยวกับเทคโนโลยีและการใช้งาน DBC โปรดเยี่ยมชม หน้าศูนย์รวม ข้อมูลพื้นผิว DBC ของเรา หรือเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับคำศัพท์ต่างๆ ได้ที่หน้าคำจำกัดความของพื้นผิวทองแดงแบบยึดติดโดยตรง (Direct Bonded Copper Substrate หรือ DBC)