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電子封裝用陶瓷基板材料及其制備工藝

24 2023-05-04
陶瓷基板材料

陶瓷基板由于其良好的導(dǎo)熱性、耐熱性、絕緣性、低熱膨脹系數(shù)和成本的不斷降低,在電子封裝特別是功率電子器件如IGBT(絕緣柵雙極晶體管)、LD(激光二極管)、大功率LED(發(fā)光二極管)、CPV(聚焦型光伏)封裝中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

陶瓷基片主要包括氧化鈹(BeO)、氧化鋁(Al2O3)和氮化鋁(AlN)、氮化硅(Si3N4)。與其他陶瓷材料相比,Si3N4陶瓷基片具有很高的電絕緣性能和化學(xué)穩(wěn)定性,熱穩(wěn)定性好,機(jī)械強(qiáng)度大,可用于制造高集成度大規(guī)模集成電路板。

幾種陶瓷基片材料性能比較

從結(jié)構(gòu)與制造工藝而言,陶瓷基板又可分為HTCC、LTCC、TFC、DBC、DPC等。

高溫共燒多層陶瓷基板(HTCC)



HTCC,又稱高溫共燒多層陶瓷基板。制備過(guò)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漿料,接著利用刮刀將漿料刮成片狀,再通過(guò)干燥工藝使片狀漿料形成生坯;然后依據(jù)各層的設(shè)計(jì)鉆導(dǎo)通孔,采用絲網(wǎng)印刷金屬漿料進(jìn)行布線和填孔,最后將各生坯層疊加,置于高溫爐(1600℃)中燒結(jié)而成。


此制備過(guò)程因?yàn)闊Y(jié)溫度較高,導(dǎo)致金屬導(dǎo)體材料的選擇受限(主要為熔點(diǎn)較高但導(dǎo)電性較差的鎢、鉬、錳等金屬),制作成本高,熱導(dǎo)率一般在20~200W/(m·℃)。



低溫共燒陶瓷基板(LTCC)


LTCC,又稱低溫共燒陶瓷基板,其制備工藝與HTCC類似,只是在Al2O3粉中混入質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%~50%的低熔點(diǎn)玻璃料,使燒結(jié)溫度降低至850~900℃,因此可以采用導(dǎo)電率較好的金、銀作為電極材料和布線材料。


因?yàn)長(zhǎng)TCC采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制作金屬線路,有可能因張網(wǎng)問(wèn)題造成對(duì)位誤差;而且多層陶瓷疊壓燒結(jié)時(shí)還存在收縮比例差異問(wèn)題,影響成品率。為了提高LTCC導(dǎo)熱性能,可在貼片區(qū)增加導(dǎo)熱孔或?qū)щ娍?,但成本增加?/span>


厚膜陶瓷基板(TFC)


相對(duì)于LTCC和HTCC,TFC為一種后燒陶瓷基板。采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)將金屬漿料涂覆在陶瓷基片表面,經(jīng)過(guò)干燥、高溫?zé)Y(jié)(700~800℃)后制備。金屬漿料一般由金屬粉末、有機(jī)樹(shù)脂和玻璃等組分。經(jīng)高溫?zé)Y(jié),樹(shù)脂粘合劑被燃燒掉,剩下的幾乎都是純金屬,由于玻璃質(zhì)粘合作用在陶瓷基板表面。燒結(jié)后的金屬層厚度為10~20μm,最小線寬為0.3mm。


由于技術(shù)成熟,工藝簡(jiǎn)單,成本較低,TFC在對(duì)圖形精度要求不高的電子封裝中得到一定應(yīng)用。


直接鍵合銅陶瓷基板(DBC)



由陶瓷基片與銅箔在高溫下(1065℃)共晶燒結(jié)而成,最后根據(jù)布線要求,以刻蝕方式形成線路。由于銅箔具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱能力,而氧化鋁能有效控制 Cu-Al2O3-Cu復(fù)合體的膨脹,使DBC基板具有近似氧化鋁的熱膨脹系數(shù)。


DBC基板制備工藝流程

DBC具有導(dǎo)熱性好、絕緣性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于IGBT、LD和CPV 封裝。DBC缺點(diǎn)在于,其利用了高溫下Cu與Al2O3間的共晶反應(yīng),對(duì)設(shè)備和工藝控制要求較高,基板成本較高;由于Al2O3與Cu層間容易產(chǎn)生微氣孔,降低了產(chǎn)品抗熱沖擊性;由于銅箔在高溫下容易翹曲變形,因此DBC表面銅箔厚度一般大于100m;同時(shí)由于采用化學(xué)腐蝕工藝,DBC基板圖形的最小線寬一般大于100m。


直接鍍銅陶瓷基板(DPC)


其制作首先將陶瓷基片進(jìn)行前處理清洗,利用真空濺射方式在基片表面沉積Ti/Cu層作為種子層,接著以光刻、顯影、刻蝕工藝完成線路制作,最后再以電鍍/化學(xué)鍍方式增加線路厚度,待光刻膠去除后完成基板制作


DPC基板制備工藝流程

DPC技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn):低溫工藝(300℃以下),完全避免了高溫對(duì)材料或線路結(jié)構(gòu)的不利影響,也降低了制造工藝成本;采用薄膜與光刻顯影技術(shù),使基板上的金屬線路更加精細(xì),因此DPC基板非常適合對(duì)準(zhǔn)精度要求較高的電子器件封裝。但DPC基板也存在一些不足:電鍍沉積銅層厚度有,且電鍍廢液污染大;金屬層與陶瓷間的結(jié)合強(qiáng)度較低,產(chǎn)品應(yīng)用時(shí)可靠性較低。

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