AIN多層陶瓷基板如何實現(xiàn)一體化封裝

 多層陶瓷基板憑借其靈活布線、三維集成等優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于航空航天、衛(wèi)星通訊等射頻領(lǐng)域。為了實現(xiàn)電子整機向高密度，小型化，輕量化的方向發(fā)展，越來越多的電路組件使用多層陶瓷基板封裝一體化封裝技術(shù)（integrated substrate package，ISP）以實現(xiàn)模塊化和器件化。AIN多層陶瓷基板是如何實現(xiàn)一體化封裝的呢？

一，為何要實現(xiàn)一體化封裝技術(shù)

AlN多層陶瓷相比較于低溫共燒陶瓷和Al2O3共燒陶瓷來說，其導(dǎo)熱系數(shù)高，熱膨脹系數(shù)與Si更接近。伴隨著電子設(shè)備的集成度大幅提高，電路中單位面積所散發(fā)的熱量不斷增大，系統(tǒng)對散熱要求也越來越高。

二，了解一下AlN一體化封裝工藝結(jié)構(gòu)

      1、AlN陶瓷基板制備流程

ALN多層陶瓷基板的制備流程與傳統(tǒng)低溫共燒陶瓷工藝流程基本一致，由于材料體系和成分的差別，個別工藝略有不同。本試驗陶瓷材料采用厚度為0.13mm的高純氮化鋁膜帶，通孔金屬化漿料和印刷漿料均選擇高溫?zé)Y(jié)鎢漿，其中排膠過程需要在氮氣環(huán)境中進行排膠；而燒結(jié)過程中則引入助燒劑以提高材料密度和熱導(dǎo)率，一般AlN燒結(jié)需要在還原氣氛下進行；排膠和燒結(jié)是AlN多層陶瓷基板制備流程中的關(guān)鍵工序，影響著基板的翹曲、開裂等，直接決定了多層板的性能和質(zhì)量。陶瓷基板表面共燒的鎢漿無法直接進行焊接、鍵合且極易氧化，需要在表層進行化鍍鎳鈀金進行后續(xù)裝配。

2，AlN陶瓷基板一體化封裝結(jié)構(gòu)

AlN多層陶瓷基板的一體化封裝主要由以下幾部分組成：AlN多層陶瓷基板，圍框和蓋板，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圍框一般采用焊接溫度較高的焊料與基板焊接，對于整體結(jié)構(gòu)而言，圍框材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)需要與基板熱膨脹系數(shù)接近，以防在焊接時熱應(yīng)力失配造成產(chǎn)品開裂。蓋板與圍框多采用平行縫焊的方式進行氣密封裝。

三，AlN一體化封裝工藝路徑

       1、一體化封裝材料

2、圍框焊接及測試

框體采用釬焊方式與多層陶瓷基板形成封裝管殼，由于一體化管殼內(nèi)部器件使用錫鉛（熔點183℃）焊接，為了拉開溫度梯度，不影響后續(xù)裝配，本次試驗采用Au80Sn20（熔點280℃）焊料作為圍框焊接焊料?？紤]到整體結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力匹配，框體材料選擇與AlN陶瓷基板熱膨脹系數(shù)較為接近的可伐（Kovar）材料。將圍框、Au80Sn20焊料、AlN多層陶瓷基板以及配套的焊接工裝夾具放入真空共晶爐進行框體焊接。

釬焊曲線如圖2所示，主要分為快速升溫、保溫、升溫、釬焊和降溫五個階段，一個焊接周期持續(xù)約25min左右?？焖偕郎厥怯墒覝乜焖偕?20℃，該階段升溫速率約為40～50℃/min，然后在220℃下保溫0.5min。后續(xù)溫度由220℃緩慢上升至焊接溫度310℃，此階段升溫速率約20～30℃/min。釬焊是在焊接溫度下保持0.5min，焊接完成后進行降溫處理。

3、氣密封焊及測試

一般對于金屬的氣密性封裝通常有平行縫焊、激光縫焊和釬焊等幾種封裝方式，該產(chǎn)品結(jié)合自身工藝條件以及結(jié)構(gòu)選擇平行縫焊作為蓋板的氣密封裝方式。

平行縫焊是通過連續(xù)電流脈沖產(chǎn)生的熱能集中在電極錐面與蓋板的兩個接觸點上，極高的熱能密度使這兩處蓋板與殼體的局部金屬體(柯伐合金)及其鍍層迅速加熱至約1500℃而熔合在一起。隨著電極在蓋板上的滾動和持續(xù)電流脈沖的供給，在各接觸點區(qū)域形成部分重疊的熔斑，從而在蓋板的邊沿上得到連續(xù)致密鱗狀的焊縫，圖3為封蓋后的AlN多層陶瓷基板的一體化管殼。

氣密后的一體化管殼需要進行相關(guān)的密封測試。根據(jù)GJB548B-2005（微電子器件試驗方法和程序）中1014.2密封測試A1條件固定方法進行測試。該管殼內(nèi)腔體積小于0.05cm³，使用壓氦平臺對密封管殼加壓到517KPa，保壓2h后氦質(zhì)譜檢漏儀測得其漏率為2.3×10-9（Pa?m3）/s，遠(yuǎn)小于規(guī)定中的拒收極限值5×10-9（Pa?m3）/s。后續(xù)將管殼按照試驗條件C1進行相關(guān)粗檢漏發(fā)現(xiàn)管殼無氣泡冒出，表明AlN多層陶瓷基板一體化管殼密封性滿足要求。

總結(jié)：AlN多層陶瓷基板既具備傳統(tǒng)多層陶瓷基板三維集成的優(yōu)勢，同時又具備優(yōu)越的散熱性能，既可以對電路熱量進行快速耗散又可以有效提升封裝密度同時還可匹配半導(dǎo)體材料的熱膨脹系數(shù)。因此基于AlN多層陶瓷基板一體化封裝是超大功率模塊、大規(guī)模集成電路的理想封裝形式。本文提出的一體化封裝是將化鍍后的氮化鋁多層基板與圍框經(jīng)過釬焊形成管殼，最后利用平行封焊進行氣密封裝，經(jīng)相關(guān)測試滿足使用要求。該一體化結(jié)構(gòu)合理，工藝成熟度高，氣密性好，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考資料：文章參考來源：AlN多層陶瓷基板一體化封裝 秦超，張偉，李富國，王穎麟 電子元器件與信息技術(shù) Vol.5 No.3 Mar. 2021