電子封裝用陶瓷基板材料及其制備

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)問題造成對位誤差；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?/p>

厚膜陶瓷基板（TFC）

相對于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)樹脂和玻璃等組分。經(jīng)高溫?zé)Y(jié)，樹脂粘合劑被燃燒掉，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，工藝簡單，成本較低，TFC在對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。

審核編輯：湯梓紅