陶瓷基板七大制備技術(shù)

陶瓷基板用技術(shù)不同命名有七大種類，今天小編就來詳細(xì)闡述一下這個七大技術(shù)的原理，制備原理、工藝流程、技術(shù)特點(diǎn)和具體應(yīng)用以及發(fā)展趨勢。

陶瓷基板發(fā)展的背景

第一代半導(dǎo)體以硅 (Si)、鍺 (Ge) 材料為代表，主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)運(yùn)算領(lǐng)域，奠定了微電子產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。第二代半導(dǎo)體以砷化鎵 (GaAs)、磷化銦 (InP) 為代表，主要應(yīng)用于通信領(lǐng)域，用于制作高性能微波、毫米波及發(fā)光器件，奠定了信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。隨著技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用需要的不斷延伸，二者的局限性逐漸體現(xiàn)出來，難以滿足高頻、高溫、高功率、高能效、耐惡劣環(huán)境以及輕便小型化等使用需求。以碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 為代表的第三代半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大、臨界擊穿電壓高、熱導(dǎo)率高、載流子飽和漂移速度大等特點(diǎn)，其制作的電子器件可在 300°C 甚至更高溫度下穩(wěn)定工作 (又稱為功率半導(dǎo)體或高溫半導(dǎo)體)，是固態(tài)光源 (如 LED)、激光器 (LD)、電力電子 (如IGBT)、聚焦光伏 (CPV)、微波射頻 (RF) 等器件的“核芯”，在半導(dǎo)體照明、汽車電子、新一代移動通信 (5G)、新能源與新能源汽車、高速軌道交通、消費(fèi)類電子等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，有望突破傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)瓶頸，與第一代、第二代半導(dǎo)體技術(shù)互補(bǔ)，在光電器件、電力電子、汽車電子、航空航天、深井鉆探等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值，對節(jié)能減排、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、催生新經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)將發(fā)揮重要作用。

伴隨著功率器件 (包括 LED、LD、IGBT、CPV 等) 不斷發(fā)展，散熱成為影響器件性能與可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。對于電子器件而言，通常溫度每升高 10°C，器件有效壽命就降低 30% ~ 50%。因此，選用合適的封裝材料與工藝、提高器件散熱能力就成為發(fā)展功率器件的技術(shù)瓶頸。以大功率 LED 封裝為例，由于輸入功率的 70% ~ 80% 轉(zhuǎn)變成為熱量 (只有約 20% ~ 30% 轉(zhuǎn)化為光能)，且 LED 芯片面積小，器件功率密度很大 (大于 100 W/cm2)，因此散熱成為大功率 LED 封裝必須解決的關(guān)鍵問題。如果不能及時將芯片發(fā)熱導(dǎo)出并消散，大量熱量將聚集在 LED 內(nèi)部，芯片結(jié)溫將逐步升高，一方面使 LED 性能降低 (如發(fā)光效率降低、波長紅移等)，另一方面將在 LED 器件內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，引發(fā)一系列可靠性問題 (如使用壽命、色溫變化等)。

陶瓷基板的七大技術(shù)類型

隨著功率器件特別是第三代半導(dǎo)體的崛起與應(yīng)用，半導(dǎo)體器件逐漸向大功率、小型化、集成化、多功能等方向發(fā)展，對封裝基板性能也提出了更高要求。陶瓷基板 (又稱陶瓷電路板) 具有熱導(dǎo)率高、耐熱性好、熱膨脹系數(shù)低、機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性好、耐腐蝕、抗輻射等特點(diǎn)，在電子器件封裝中得到廣泛應(yīng)用。本文分析了常用陶瓷基片材料 (包括 Al2O3、AlN、Si3N4、BeO、SiC 和 BN 等) 的物理特性，重點(diǎn)對各種陶瓷基板 (包括薄膜陶瓷基板 TFC、厚膜印刷陶瓷基板 TPC、直接鍵合陶瓷基板 DBC、直接電鍍陶瓷基板 DPC、活性金屬焊接陶瓷基板AMB、激光活化金屬陶瓷基板 LAM 以及各種三維陶瓷基板等) 。

陶瓷基板制備技術(shù)

陶瓷基板又稱陶瓷電路板，包括陶瓷基片和金屬線路層。對于電子封裝而言，封裝基板起著承上啟下，連接內(nèi)外散熱通道的關(guān)鍵作用，同時兼有電互連和機(jī)械支撐等功能。陶瓷具有熱導(dǎo)率高、耐熱性好、機(jī)械強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)勢，是功率半導(dǎo)體器件封裝常用的基板材料。根據(jù)封裝結(jié)構(gòu)和應(yīng)用要求，陶瓷基板可分為平面陶瓷基板和三維陶瓷基板兩大類。

2.1 平面陶瓷基板

根據(jù)制備原理與工藝不同，平面陶瓷基板可分為薄膜陶瓷基板 (Thin Film Ceramic Substrate,TFC)、厚膜印刷陶瓷基板 (ThickPrinting Ceramic Substrate, TPC)、直接鍵合銅陶瓷基板 (Direct Bonded Copper Ceramic Substrate, DBC)、活性金屬焊接陶瓷基板(Active Metal Brazing Ceramic Substrate, AMB)、直接電鍍銅陶瓷基板(Direct Plated Copper Ceramic Substrate, DPC) 和激光活化金屬陶瓷基板 (LaserActivated Metallization Ceramic Substrate, LAM) 等。

薄膜陶瓷基板 (TFC）的制備原理、工藝流程和技術(shù)特點(diǎn)

薄膜陶瓷基板一般采用濺射工藝直接在陶瓷基片表面沉積金屬層。如果輔助光刻、顯影、刻蝕等工藝，還可將金屬層圖形化制備成線路，如圖 6 所示。由于濺射鍍膜沉積速度低 (一般低于 1 μm/h)，因此 TFC 基板表面金屬層厚度較小 (一般小于 1 μm)，可制備高圖形精度 (線寬/線距小于 10 μm) 陶瓷基板，主要應(yīng)用于激光與光通信領(lǐng)域小電流器件封裝。

厚膜印刷陶瓷基板 (TPC)技術(shù)工藝和特點(diǎn)

通過絲網(wǎng)印刷將金屬漿料涂覆在陶瓷基片上，干燥后經(jīng)高溫?zé)Y(jié) (溫度一般在 850°C ~ 900°C) 制備 TPC 基板，其工藝流程如圖 7 所示。根據(jù)金屬漿料粘度和絲網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸不同，制備的金屬線路層厚度一般為 10 μm ~ 20 μm (提高金屬層厚度可通過多次絲網(wǎng)印刷實現(xiàn))。TFC 基板制備工藝簡單，對加工設(shè)備和環(huán)境要求低，具有生產(chǎn)效率高、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于絲網(wǎng)印刷工藝限制，TFC 基板無法獲得高精度線路 (最小線寬/線距一般大于 100 μm)。此外，為了降低燒結(jié)溫度，提高金屬層與陶瓷基片結(jié)合強(qiáng)度，通常在金屬漿料中添加少量玻璃相，這將降低金屬層電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。因此 TPC 基板僅在對線路精度要求不高的電子器件 (如汽車電子) 封裝中得到應(yīng)用。TPC 基板樣品及其截面圖如圖 8 所示。

目前 TPC 基板關(guān)鍵技術(shù)在于制備高性能金屬漿料。金屬漿料主要由金屬粉末、有機(jī)載體和玻璃粉等組成。漿料中可供選擇的導(dǎo)體金屬有 Au、Ag、Ni、Cu 和 Al 等。銀基導(dǎo)電漿料因其具有較高的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能及相對低廉的價格而應(yīng)用廣泛 (占金屬漿料市場 80% 以上份額)。研究表明，銀顆粒粒徑顆粒粒徑、形貌等對導(dǎo)電層性能影響很大。如Park等人通過加入適量納米銀顆粒降低了銀漿電阻率:Zhou等人指出金屬層電阻率隨著球狀銀顆粒尺寸減小而降低,片狀銀粉(尺寸6m)制備的金屬漿料電阻率遠(yuǎn)小于同樣尺寸球狀銀粉制備的漿料。

直接鍵合陶瓷基板(DBC)工藝流程和技術(shù)特點(diǎn)

DBC陶瓷基板制備首先在銅箔(Cu)和陶瓷基片(Al2O3或AN間引入氧元素,然后在1065°C形成CuO共晶相(金屬銅熔點(diǎn)為1083°C),進(jìn)而與陶瓷基片和銅箔發(fā)生反應(yīng)生成CuAO2或Cu(AO2)2,實現(xiàn)銅箔與陶瓷間共晶鍵合,其制備工藝和產(chǎn)品分別如圖9和圖10所示。由于陶瓷和銅具有良好的導(dǎo)熱性，且銅箔與陶瓷間共晶鍵合強(qiáng)度高，因此DBC基板具有較高的熱穩(wěn)定性，已廣泛應(yīng)用于絕緣柵雙極二極管(GBT)、激光器(LD)和聚焦光伏(CPV)等器件封裝散熱中。

DBC基板銅箔厚度較大(一般為100μm-600μm)，可滿足高溫、大電流等極端環(huán)境下器件封裝應(yīng)用需求(為降低基板應(yīng)力與制曲，一船采用C1-A1O2C的三明治結(jié)構(gòu).日上下銅層厚度相同)

雖然DBC基板在實際應(yīng)用中有諸多優(yōu)勢，但在制備過程中要嚴(yán)格控制共晶溫度及氧含量，對設(shè)備和工藝控制要求較高，生產(chǎn)成本也較高。

此外，由于厚銅刻蝕限制，無法制備出高精度線路層在DBC基板制備過程中，氧化時間和氧化溫度是最重要的兩個參數(shù)。銅箔經(jīng)預(yù)氧化后，鍵合界面能形成足夠 CuxOy 相潤濕 Al2O3 陶瓷與銅箔，具有較高的結(jié)合強(qiáng)度；若銅箔未經(jīng)過預(yù)氧化處理，CuxOy 潤濕性較差，鍵合界面會殘留大量空洞和缺陷，降低結(jié)合強(qiáng)度及熱導(dǎo)率。對于采用 AlN 陶瓷制備 DBC 基板，還需對陶瓷基片進(jìn)行預(yù)氧化，先生成 Al2O3 薄膜，再與銅箔發(fā)生共晶反應(yīng)。謝建軍等人用 DBC 技術(shù)制備 Cu/Al2O3、Cu/AlN 陶瓷基板，銅箔和 AlN 陶瓷間結(jié)合強(qiáng)度超過 8 N/mm，銅箔和 AlN 間存在厚度為 2 μm 的過渡層，其成分主要為 Al2O3、CuAlO2 和 Cu2O。

目前，制備活性焊料是 AMB 基板制備關(guān)鍵技術(shù)?；钚院噶系淖畛鯃蟮朗?1947 年 Bondley 采用TiH2 活性金屬法連接陶瓷與金屬，在此基礎(chǔ)上，Bender 等人提出 Ag-Cu-Ti 活性焊接法?；钚院噶现饕譃楦邷鼗钚院噶?(活性金屬為 Ti、V 和 Mo 等，焊接溫度 1000°C ~ 1250°C)、中溫活性焊料(活性金屬為 Ag-Cu-Ti，焊接溫度 700°C ~ 800°C，保護(hù)氣體或真空下焊接) 和低溫活性焊料 (活性金屬為 Ce、Ga 和 Re，焊接溫度 200°C ~ 300°C)。中高溫活性焊料成分簡單，操作容易，焊接界面機(jī)械強(qiáng)度高，在金屬-陶瓷焊接中得到廣泛應(yīng)用。Naka 等人分別采用 Cu60Ti34 活性焊料焊接 Si3N4陶瓷和 NiTi50 活性焊料焊接 SiC，前者室溫下焊接界面剪切強(qiáng)度達(dá)到 313.8 MPa，而后者在室溫、300°C和 700°C 時的焊接界面剪切強(qiáng)度分別為 158 MPa、316 MPa 和 260 MPa。

由于 DBC 陶瓷基板制備工藝溫度高，金屬-陶瓷界面應(yīng)力大，因此 AMB 技術(shù)越來越受到業(yè)界關(guān)注，特別是采用低溫活性焊料。如 Chang 等人使用 Sn3.5Ag4Ti(Ce，Ga) 活性焊料在 250°C 下分別實現(xiàn)了 ZnS-SiO2、ITO 陶瓷以及 Al2O3 陶瓷與 Cu 層焊接；Tsao 等人使用 Sn3.5Ag4Ti(Ce) 活性焊料實現(xiàn)了 Al 與微亞弧氧化鋁 (MAO-Al) 間焊接。

直接電鍍陶瓷基板 (DPC)技術(shù)工藝和特點(diǎn)

DPC 陶瓷基板制備工藝如圖 13 所示。首先利用激光在陶瓷基片上制備通孔 (孔徑一般為 60 μm ~ 120 μm)，隨后利用超聲波清洗陶瓷基片；采用磁控濺射技術(shù)在陶瓷基片表面沉積金屬種子層 (Ti/Cu)，接著通過光刻、顯影完成線路層制作；采用電鍍填孔和增厚金屬線路層，并通過表面處理提高基板可焊性與抗氧化性，最后去干膜、刻蝕種子層完成基板制備。

從圖 13 可以看出，DPC 陶瓷基板制備前端采用了半導(dǎo)體微加工技術(shù) (濺射鍍膜、光刻、顯影等)，后端則采用了印刷線路板 (PCB) 制備技術(shù) (圖形電鍍、填孔、表面研磨、刻蝕、表面處理等)，技術(shù)優(yōu)勢明顯。具體特點(diǎn)包括：(1) 采用半導(dǎo)體微加工技術(shù)，陶瓷基板上金屬線路更加精細(xì) (線寬/線距可低至 30 μm ~ 50 μm，與線路層厚度相關(guān))，因此 DPC 基板非常適合對準(zhǔn)精度要求較高的微電子器件封裝；(2) 采用激光打孔與電鍍填孔技術(shù)，實現(xiàn)了陶瓷基板上/下表面垂直互聯(lián)，可實現(xiàn)電子器件三維封裝與集成，降低器件體積，如圖 14 (b) 所示；(3) 采用電鍍生長控制線路層厚度 (一般為 10 μm ~ 100 μm)，并通過研磨降低線路層表面粗糙度，滿足高溫、大電流器件封裝需求；(4) 低溫制備工藝 (300°C 以下) 避免了高溫對基片材料和金屬線路層的不利影響，同時也降低了生產(chǎn)成本。綜上所述，DPC 基板具有圖形精度高，可垂直互連等特性，是一種真正的陶瓷電路板。

但是，DPC 基板也存在一些不足：(1) 金屬線路層采用電鍍工藝制備，環(huán)境污染嚴(yán)重；(2) 電鍍生長速度低，線路層厚度有限 (一般控制在 10 μm ~ 100 μm)，難以滿足大電流功率器件封裝需求。目前 DPC 陶瓷基板主要應(yīng)用于大功率 LED 封裝，生產(chǎn)廠家主要集中在我國臺灣地區(qū)，但從 2015 年開始大陸地區(qū)已開始實現(xiàn)量產(chǎn)。

金屬線路層與陶瓷基片的結(jié)合強(qiáng)度是影響 DPC 陶瓷基板可靠性的關(guān)鍵。由于金屬與陶瓷間熱膨脹系數(shù)差較大，為降低界面應(yīng)力，需要在銅層與陶瓷間增加過渡層，從而提高界面結(jié)合強(qiáng)度。由于過渡層與陶瓷間的結(jié)合力主要以擴(kuò)散附著及化學(xué)鍵為主，因此常選擇 Ti、Cr 和 Ni 等活性較高、擴(kuò)散性好的金屬作為過渡層 (同時作為電鍍種子層)。Lim 等人采用 50 W 的 Ar 等離子束對 Al2O3 基片清洗 10 min，隨后再濺射 1 μm ± 0.2 μm 的銅薄膜，二者粘結(jié)強(qiáng)度高于 34 MPa，而未進(jìn)行等離子清洗的基片與銅薄膜的粘結(jié)強(qiáng)度僅為 7 MPa。占玙娟在濺射 Ti/Ni (其厚度分別為 200 nm 與 400 nm)薄膜之前，采用 600 eV、700 mA 的低能離子束對 AlN 陶瓷基片清洗 15 min，所得到的金屬薄膜與陶瓷基片的粘結(jié)強(qiáng)度大于 30 MPa。可以看出，對陶瓷基片進(jìn)行等離子清洗可大大提高與金屬薄膜間的結(jié)合強(qiáng)度，這主要是因為：(1) 離子束去除了陶瓷基片表面的污染物；(2) 陶瓷基片因受到離子束的轟擊而產(chǎn)生懸掛鍵，與金屬原子結(jié)合更緊密。

電鍍填孔也是 DPC 陶瓷基板制備的關(guān)鍵技術(shù)。目前 DPC 基板電鍍填孔大多采用脈沖電源，其技術(shù)優(yōu)勢包括：(1) 易于填充通孔，降低孔內(nèi)鍍層缺陷；(2) 表面鍍層結(jié)構(gòu)致密，厚度均勻；(3) 可采用較高電流密度進(jìn)行電鍍，提高沉積效率。陳珍等人采用脈沖電源在 1.5 ASD 電流密度下電鍍2 h，實現(xiàn)了深寬比為 6.25 的陶瓷通孔無缺陷電鍍。但脈沖電鍍成本高，因此近年來新型直流電鍍又重新得到重視，通過優(yōu)化電鍍液配方 (包括整平劑、抑制劑等)，實現(xiàn)盲孔或通孔高效填充。如林金堵等人通過優(yōu)化電鍍添加劑、攪拌強(qiáng)度及方式和電流參數(shù)，實現(xiàn)了通孔與盲孔電鍍。

激光活化金屬陶瓷基板 (LAM)工藝流程和技術(shù)特點(diǎn)

LAM 基板制備利用特定波長的激光束選擇性加熱活化陶瓷基片表面，隨后通過電鍍/化學(xué)鍍完成線路層制備，工藝流程如圖 15 (a) 所示。其技術(shù)優(yōu)勢包括：(1) 無需采用光刻、顯影、刻蝕等微加工工藝，通過激光直寫制備線路層，且線寬由激光光斑決定，精度高 (可低至 10 μm ~ 20 μm)，如圖 15 (b) 所示；(2) 可在三維結(jié)構(gòu)陶瓷表面制備線路層，突破了傳統(tǒng)平面陶瓷基板金屬化的限制，如圖 15 (c) 所示；(3) 金屬層與陶瓷基片結(jié)合強(qiáng)度高，線路層表面平整，粗糙度在納米級別。從上可以看出，雖然 LAM 技術(shù)可在平面陶瓷基板或立體陶瓷結(jié)構(gòu)上加工線路層，但其線路層由激光束“畫”出來，難以大批量生產(chǎn)，導(dǎo)致價格極高，目前主要應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域異型陶瓷散熱件加工。

表 2 對不同工藝制備的平面陶瓷基板性能進(jìn)行了對比。

2.2 三維陶瓷基板制備技術(shù)工藝和特點(diǎn)

 許多微電子器件 (如加速度計、陀螺儀、深紫外 LED 等) 芯片對空氣、濕氣、灰塵等非常敏感。如 LED 芯片理論上可工作 10 萬小時以上，但水汽侵蝕會大大縮短其壽命 (甚至降低至幾千小時)。為了提高這些微電子器件性能 (特別是可靠性)，必須將其芯片封裝在真空或保護(hù)氣體中，實現(xiàn)氣密封裝 (芯片置于密閉腔體中，與外界氧氣、濕氣、灰塵等隔絕)。因此，必須首先制備含腔體 (圍壩)結(jié)構(gòu)的三維基板，滿足封裝應(yīng)用需求。目前，常見的三維陶瓷基板主要有：高/低溫共燒陶瓷基板(High/Low Temperature Co-fired Ceramic Substrate， HTCC/LTCC) 、 多 層 燒 結(jié) 三 維 陶 瓷 基 板 (MultilayerSintering Ceramic Substrate，MSC)、直接粘接三維陶瓷基板 (Direct Adhere Ceramic Substrate，DAC)、多層鍍銅三維陶瓷基板(Multilayer Plated Ceramic Substrate，MPC) 以及直接成型三維陶瓷基板(Direct Molding Ceramic Substrate，DMC) 等。 

 高/低溫共燒陶瓷基板 (HTCC/LTCC)：HTCC 基板制備過程中先將陶瓷粉 (Al2O3 或 AlN) 加入有機(jī)黏結(jié)劑，混合均勻后成為膏狀陶瓷漿料，接著利用刮刀將陶瓷漿料刮成片狀，再通過干燥工藝使片狀漿料形成生胚；然后根據(jù)線路層設(shè)計鉆導(dǎo)通孔，采用絲網(wǎng)印刷金屬漿料進(jìn)行布線和填孔，最后將各生胚層疊加，置于高溫爐 (1600°C) 中燒結(jié)而成，如圖 16 所示。由于 HTCC 基板制備工藝溫度高，因此導(dǎo)電金屬選擇受限，只能采用熔點(diǎn)高但導(dǎo)電性較差的金屬 (如 W、Mo 及 Mn 等)，制作成本較高。此外，受到絲網(wǎng)印刷工藝限制，HTCC 基板線路精度較差，難以滿足高精度封裝需求。但 HTCC 基板具有較高機(jī)械強(qiáng)度和熱導(dǎo)率 [20 W/(m·K) ~ 200 W/(m·K)]，物化性能穩(wěn)定，適合大功率及高溫環(huán)境下器件封裝，如圖 17 (a) 所示。Cheah 等人將 HTCC 工藝應(yīng)用于微型蒸汽推進(jìn)器，制備的微型加熱器比硅基推進(jìn)器效率更高，能耗降低 21%以上。

為了降低 HTCC 制備工藝溫度，同時提高線路層導(dǎo)電性，業(yè)界開發(fā)了 LTCC 基板。與 HTCC 制備工藝類似，只是 LTCC 制備在陶瓷漿料中加入了一定量玻璃粉來降低燒結(jié)溫度，同時使用導(dǎo)電性良好的 Cu、Ag 和 Au 等制備金屬漿料，如圖 17 (b) 所示。LTCC 基板制備溫度低，但生產(chǎn)效率高，可適應(yīng)高溫、高濕及大電流應(yīng)用要求，在軍工及航天電子器件中得到廣泛應(yīng)用。Yuan 等人選用CaO-BaO-Al2O3-B2O3-SiO2/AlN 體系原料，當(dāng) AlN 組分含量為 40% 時，研制的 LTCC 基板熱導(dǎo)率為 5.9W/(m·K)，介電常數(shù)為 6.3，介電損耗為 4.9 × 10-3，彎曲強(qiáng)度高達(dá) 178 MPa。Qing 等人采用Li2O-Al2O3-SiO2/Al2O3 體系原料，制備的 LTCC 基板抗彎強(qiáng)度為 155 MPa，介電損耗為 2.49 × 10-3。

雖然 LTCC 基板具有上述優(yōu)勢，但由于在陶瓷漿料中添加了玻璃粉，導(dǎo)致基板熱導(dǎo)率偏低 [一般僅為 3 W/(m·K) ~ 7 W/(m·K)]。此外，與 HTCC 一樣，由于 LTCC 基板采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制作金屬線路，有可能因張網(wǎng)問題造成對位誤差，導(dǎo)致金屬線路層精度低；而且多層陶瓷生胚疊壓燒結(jié)時還存在收縮比例差異問題，影響成品率，一定程度上制約了 LTCC 基板技術(shù)發(fā)展。Yan 等人經(jīng)過表面處理將 LTCC 基板翹曲由 150 μm ~ 250 μm 降低至 80 μm ~ 110 μm；Sim 等人通過改進(jìn) LTCC基板封裝形式，去掉芯片與金屬基底間絕緣層，模擬和實驗結(jié)果顯示其熱阻降低為 7.3 W/(m·K)，滿足大功率 LED 封裝需求。

多層燒結(jié)三維陶瓷基板 (MSC)技術(shù)工藝和特點(diǎn)

與 HTCC/LTCC 基板一次成型制備三維陶瓷基板不同，臺灣陽升公司采用多次燒結(jié)法制備了 MSC 基板。其工藝流程如圖 18 所示，首先制備厚膜印刷陶瓷基板(TPC)，隨后通過多次絲網(wǎng)印刷將陶瓷漿料印刷于平面 TPC 基板上，形成腔體結(jié)構(gòu)，再經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成，得到的 MSC 基板樣品如圖 19 所示。由于陶瓷漿料燒結(jié)溫度一般在 800°C 左右，因此要求下部的 TPC 基板線路層必須能耐受如此高溫，防止在燒結(jié)過程中出現(xiàn)脫層或氧化等缺陷。由上文可知，TPC 基板線路層由金屬漿料高溫?zé)Y(jié) (一般溫度為 850°C ~ 900°C) 制備，具有較好的耐高溫性能，適合后續(xù)采用燒結(jié)法制備陶瓷腔體。MSC 基板技術(shù)生產(chǎn)設(shè)備和工藝簡單，平面基板與腔體結(jié)構(gòu)獨(dú)立燒結(jié)成型，且由于腔體結(jié)構(gòu)與平面基板均為無機(jī)陶瓷材料，熱膨脹系數(shù)匹配，制備過程中不會出現(xiàn)脫層、翹曲等現(xiàn)象。其缺點(diǎn)在于，下部 TPC 基板線路層與上部腔體結(jié)構(gòu)均采用絲網(wǎng)印刷布線，圖形精度較低；同時，因受絲網(wǎng)印刷工藝限制，所制備的 MSC 基板腔體厚度 (深度) 有限。因此MSC 三維基板僅適用于體積較小、精度要求不高的電子器件封裝。

直接粘接三維陶瓷基板 (DAC)工藝流程和特點(diǎn)：

上述 HTCC、LTCC 及 MSC 基板線路層都采用絲網(wǎng)印刷制備，精度較低，難以滿足高精度、高集成度封裝要求，因此業(yè)界提出在高精度 DPC 陶瓷基板上成型腔體制備三維陶瓷基板。由于 DPC 基板金屬線路層在高溫 (超過 300°C) 下會出現(xiàn)氧化、起泡甚至脫層等現(xiàn)象，因此基于 DPC 技術(shù)的三維陶瓷基板制備必須在低溫下進(jìn)行。臺灣璦司柏公司 (ICP) 提出采用膠粘法制備三維陶瓷基板，樣品如圖 20 所示。首先加工金屬環(huán)和 DPC 陶瓷基板，然后采用有機(jī)粘膠將金屬環(huán)與 DPC 基板對準(zhǔn)后粘接、加熱固化，如圖 21 所示。由于膠液流動性好，因此涂膠工藝簡單，成本低，易于實現(xiàn)批量生產(chǎn)，且所有制備工藝均在低溫下進(jìn)行，不會對 DPC 基板線路層造成損傷。但是，由于有機(jī)粘膠耐熱性差，固化體與金屬、陶瓷間熱膨脹系數(shù)差較大，且為非氣密性材料，目前 DAC 陶瓷基板主要應(yīng)用于線路精度要求較高，但對耐熱性、氣密性、可靠性等要求較低的電子器件封裝。

為了解決上述不足，業(yè)界進(jìn)一步提出采用無機(jī)膠替代有機(jī)膠的粘接技術(shù)方案，大大提高了 DAC三維陶瓷基板的耐熱性和可靠性。其技術(shù)關(guān)鍵是選用無機(jī)膠，要求其能在低溫 (低于 200°C) 下固化；固化體耐熱性好 (能長期耐受 300°C 高溫)，與金屬、陶瓷材料粘接性好 (剪切強(qiáng)度大于 10 MPa)，同時與金屬環(huán) (圍壩) 和陶瓷基片材料熱膨脹系數(shù)匹配 (降低界面熱應(yīng)力)。美國科銳公司 (Cree) XRE 系列產(chǎn)品封裝基板既采用了該技術(shù)方案，如圖 22。

多層電鍍?nèi)S陶瓷基板 (MPC)工藝流程和特點(diǎn)

為了發(fā)揮 DPC 陶瓷基板技術(shù)優(yōu)勢 (高圖形精度、垂直互連等)，吳朝暉等人提出采用多次/層電鍍增厚技術(shù)，在 DPC 陶瓷基板上直接制備具有厚銅圍壩結(jié)構(gòu)的三維陶瓷基板，如圖 23 (a) 所示。其制備工藝與 DPC 基板類似，只是在完成平面 DPC 基板線路層加工后，再通過多次光刻、顯影和圖形電鍍完成圍壩制備 (厚度一般為 500μm ~ 700 μm)，如圖 24 所示。需要指出的是，由于干膜厚度有限 (一般為 50 μm ~ 80 μm)，需要反復(fù)進(jìn)行光刻、顯影、圖形電鍍等工藝；同時為了提高生產(chǎn)效率，需要在電鍍增厚圍壩時提高電流密度，導(dǎo)致鍍層表面粗糙，需要不斷進(jìn)行研磨，保持鍍層表面平整與光滑。

MPC 基板采用圖形電鍍工藝制備線路層，避免了HTCC/LTCC 與 TPC 基板線路粗糙問題，滿足高精度封裝要求。陶瓷基板與金屬圍壩一體化成型為密封腔體，結(jié)構(gòu)緊湊，無中間粘結(jié)層，氣密性高。MPC 基板整體為全無機(jī)材料，具有良好的耐熱性，抗腐蝕、抗輻射等。金屬圍壩結(jié)構(gòu)形狀可以任意設(shè)計，圍壩頂部可制備出定位臺階，便于放置玻璃透鏡或蓋板，目前已成功應(yīng)用于深紫外 LED封裝和 VCSEL 激光器封裝，已部分取代 LTCC 基板。其缺點(diǎn)在于：由于干膜厚度限制，制備過程需要反復(fù)進(jìn)行光刻、顯影、圖形電鍍與表面研磨，耗時長 (厚度為 600 μm 圍壩需要電鍍 10 h 以上)，生產(chǎn)成本高；此外，由于電鍍圍壩銅層較厚，內(nèi)部應(yīng)力大，MPC 基板容易翹曲變形，影響后續(xù)的芯片封裝質(zhì)量與效率。

直接成型三維陶瓷基板 (DMC)工藝流程和特點(diǎn)

為了提高三維陶瓷基板生產(chǎn)效率，同時保證基板線路精度與可靠性，陳明祥等人提出制備含免燒陶瓷圍壩的三維陶瓷基板，其樣品如圖 25 所示。為了制備具有高結(jié)合強(qiáng)度、高耐熱性的陶瓷圍壩，實驗采用堿激發(fā)鋁硅酸鹽漿料(alkali-activated aluminosilicate cement paste， ACP) 作為圍壩結(jié)構(gòu)材料。圍壩由偏高嶺土在堿性溶液中脫水縮合而成，具有低溫固化、耐熱性好 (可長期耐受 500°C 高溫)、與金屬/陶瓷粘接強(qiáng)度高、抗腐蝕，物化性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，滿足電子封裝應(yīng)用需求。DMC 基板制備工藝流程如圖 26 所示，首先制備平面 DPC 陶瓷基板，同時制備帶孔橡膠模具；將橡膠模具與 DPC 陶瓷基板對準(zhǔn)合模后，向模具腔內(nèi)填充犧牲模材料；待犧牲模材料固化后，取下橡膠模具，犧牲模粘接于 DPC 陶瓷基板上，并精確復(fù)制橡膠模具孔結(jié)構(gòu)特征，作為鋁硅酸鹽漿料成型模具；隨后將鋁硅酸鹽漿料涂覆于 DPC 陶瓷基板上并刮平，加熱固化，最后將犧牲模材料腐蝕，得到含鋁硅酸鹽免燒陶瓷圍壩的三維陶瓷基板。

鋁硅酸鹽漿料固化溫度低，對 DPC 陶瓷基板線路層影響極小，并與 DPC 基板制備工藝兼容。橡膠具有易加工、易脫模以及價格低廉等特點(diǎn)，能精確復(fù)制圍壩結(jié)構(gòu) (腔體) 形狀與尺寸，保證圍壩加工精度。實驗結(jié)果表明，腔體深度、直徑加工誤差均小于 30 μm，說明該工藝制備的三維陶瓷基板精度高，重復(fù)性好，適合量產(chǎn)。鋁硅酸鹽漿料加熱后脫水縮合，主要產(chǎn)物為無機(jī)聚合物，其耐熱性好，熱膨脹系數(shù)與陶瓷基片匹配，具有良好的熱穩(wěn)定性；固化體與陶瓷、金屬粘接強(qiáng)度高，制備的三維陶瓷基板可靠性高。圍壩厚度 (腔體高度) 取決于模具厚度，理論上不受限制，可滿足不同結(jié)構(gòu)和尺寸的電子器件封裝要求。

表 3 比較了上述不同三維陶瓷基板性能的一些基本性能。與表 2 重復(fù)或類似的數(shù)據(jù)不再列入。

 陶瓷基板發(fā)展趨勢分析

陶瓷基板集成化：一般而言，TPC、DBC 和 AMB 陶瓷基板只適合制備單面線路層 (或雙面線路層，但上下層不導(dǎo)通)。如果要實現(xiàn)上下層導(dǎo)通，需要先激光打孔 (孔徑一般大于 200 μm)，然后孔內(nèi)填充金屬漿料后燒結(jié)而成，孔內(nèi)金屬層導(dǎo)電、導(dǎo)熱性差，基板可靠性低。HTCC/LTCC 基板采用多層生胚片疊加 (金屬通孔對準(zhǔn)) 后燒結(jié)制備，因此可實現(xiàn)基板內(nèi)垂直互連，提高封裝集成度，但HTCC/LTCC 基板電阻率較大，電流通載能力較低。DPC 陶瓷基板可以采用激光打孔 (孔徑一般為60 μm ~ 120 μm) 和電鍍填孔技術(shù)制備金屬通孔，由于孔內(nèi)電鍍填充致密銅柱，導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)良，因而可實現(xiàn)陶瓷基板上下線路層垂直互連。在此基礎(chǔ)上，通過電鍍增厚等技術(shù)制備圍壩，可得到含圍壩結(jié)構(gòu)的三維陶瓷基板；如果采用焊接/粘接技術(shù)實現(xiàn)多片 DPC 基板垂直集成，則可以進(jìn)一步得到多層陶瓷基板 (Multilayer Ceramic Substrate， MLC，如圖 37)，滿足功率器件三維封裝和異質(zhì)集成需求。

以上是小編分享的陶瓷基板的7大技術(shù)工藝類型，闡述了工藝的流程和特點(diǎn)，陶瓷基板逐漸往高功率、高集成化、高精密、精細(xì)化方方向發(fā)展。對技術(shù)的要求越來越高，也講促進(jìn)陶瓷基板不斷上進(jìn)。更多陶瓷基板pcb問題可以咨詢金瑞欣特種電路。