陶瓷基板具有熱導率高、耐熱性好、機械強度高、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)勢,是功率半導體器件封裝常用的散熱材料。根據(jù)封裝結構和應用要求,陶瓷基板可分為平面陶瓷基板和三維陶瓷基板兩大類。今天小編主要講述一下平面電子陶瓷基板的分類和制作技術。

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(Thick Printing 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(Laser Activated Metallization Ceramic Substrate,LAM)等。

薄膜陶瓷基板(TFC):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,由于濺射鍍膜沉積速度低(一般低于1μm/h),如下圖：

                                                                                        薄膜陶瓷基板(TFC)產品

因此TFC基板表面金屬層厚度較小(一般小于1μm),可制備高圖形精度(線寬/線距小于10μm)陶瓷基板,主要應用于激光與光通信領域小電流器件封裝。

                                                                                        TPC基板制備工藝流程圖

厚膜印刷陶瓷基板(TPC):通過絲網印刷將金屬漿料涂覆在陶瓷基片上,干燥后經高溫燒結(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網孔尺寸不同,制備的金屬線路層厚度一般為10μm～20μm(提高金屬層厚度可通過多次絲網印刷實現(xiàn))。TFC基板制備工藝簡單,對加工設備和環(huán)境要求低,具有生產效率高、制造成本低等優(yōu)點。但是,由于絲網印刷工藝限制,TFC基板無法獲得高精度線路(最小線寬/線距一般大于100μm)。此外,為了降低燒結溫度,提高金屬層與陶瓷基片結合強度,通常在金屬漿料中添加少量玻璃相,這將降低金屬層電導率和熱導率。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)封裝中得到應用。

目前TPC基板關鍵技術在于制備高性能金屬漿料。金屬漿料主要由金屬粉末、有機載體和玻璃粉等組成。漿料中可供選擇的導體金屬有Au、Ag、Ni、Cu和Al等。銀基導電漿料因其具有較高的導電、導熱性能及相對低廉的價格而應用廣泛(占金屬漿料市場80%以上份額。研究表明,銀顆粒徑、形貌等對對導電層性能影響很大。如Park等人[24]通過加入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6μm)制備的金屬漿料電阻率遠小于同樣尺寸球狀銀粉制備的漿料。

金屬漿料中有機載體決定了漿料的流動性、潤濕性和粘接強度,從而直接影響絲網印刷刷質量以及后期燒結成膜的致密性和導電性。尹海鵬等人指出,當有機載體中纖維素含量為1%～4%時,加入少量氫化蓖麻油可降低有機載體剪切強度,有利于漿料印刷和流平。

加入玻璃料可降低金屬漿料燒結溫度,降低生產成本和基板應力。目前商用低溫玻璃料幾乎都含有鉛元素,對環(huán)境和人體造成傷害。Chen等人[27]采用Bi2O3-SiO2-B2O3-Al2O3-ZnO系納米玻璃粉制備金屬屬銀漿,用于太陽能電池電極制造,研究發(fā)現(xiàn)該漿料具有良好的潤濕性和結合強度,光伏電池光電轉換效率提高高。

直接鍵合陶瓷基板(DBC):DBC陶瓷基板制備首先在銅箔(Cu)和陶瓷基片(Al2O3或AlN)間引入氧元素,然后在1065°C形成Cu/O共晶相(金屬銅熔點為1083°C),進而與陶瓷基片和銅箔發(fā)生反應生成CuAlO2或Cu(AlO2)2,實現(xiàn)銅箔與陶瓷間共晶鍵合,其制備工藝和產品分別如圖9和圖10所示。由于陶瓷和銅具有良好的導熱性,且銅箔與陶瓷間共晶鍵合強度高,因此DBC基板具有較高的熱穩(wěn)定性,已廣泛應用于絕緣柵雙極二極管(IGBT)、激光器(LD)和聚焦光伏(CPPV)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)境下器件封裝應用需求(為降低基板應力與翹曲,一般采用Cu-Al2O3-Cu的三明治結構,且上下銅層厚度相同)。

雖然DBC基板在實際應用中有諸多優(yōu)勢,但在制備過程中要嚴格控制共晶溫度及氧含量,對設備和工藝控制要求較高,生產成本也較高。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)。銅箔經預氧化后,鍵合界面能形成足夠CuxOy相潤濕Al2O3陶瓷與銅箔,具有較高的結合強度;若銅箔未經過預氧化處理,CuxOy潤濕性較差,鍵合界面會殘留大量空洞和缺陷,降低結合強度及熱導率。對于采用AlN陶瓷制備DBC基板,還需對陶瓷基片進行預氧化,先生成Al2O3薄膜,再與銅箔發(fā)生共晶反應。謝建軍等人[28]用DBC技術制備Cu/Al2O3、Cu/AlN陶瓷基板,銅箔和AlN陶瓷間結合強度超過8 N/mm,銅箔和AlN間存在厚度為2μm的過渡層,其成分主要為Al2O3、CuAlO2和Cu2O。

                                                                                    DBC陶瓷基板制備備工藝流程

活性金屬焊接陶瓷基板(AMB):AMB陶瓷基板利用含少量活性元素的活性金屬焊料實現(xiàn)銅箔與陶瓷基片間的焊接,其工藝流程如圖上上圖所示?；钚院噶贤ㄟ^在普通金屬焊料中添加Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta等稀土元素制備,由于稀土元素具有高活性,可提高焊料熔化后對陶瓷的潤濕性,使陶瓷表面無需金屬化就可與金屬實現(xiàn)焊接。AMB基板制備技術是DBC基板工藝的改進(DBC基板制備中銅箔與陶瓷在高溫下直接鍵合,而AMB基板采用活性焊料實現(xiàn)銅箔與陶瓷基片間鍵合),通過選用活性焊料可降低鍵合溫度(低于800°C),進而降低陶瓷基板內部熱應力。此外,AMB基板依靠活性焊料與陶瓷發(fā)生化學反應實現(xiàn)鍵合,因此結合強度高,可靠性好。但是該方法成本較高,合適的活性焊料較少,且焊料成分與工藝對焊接質量影響較大,目前只有少數(shù)國外企業(yè)掌握了AMB基板量產技術,其樣品與截面結構如圖2所示。

                                                                                    AMB陶瓷基板制備工藝流程

                                                                                 圖2(a)AMB陶瓷基板產品及其(b)截面圖

目前,制備活性焊料是AMB基板制備關鍵技術?；钚院噶系淖畛鯃蟮朗?947年Bondley采用TiH2活性金屬法連接陶瓷與金屬,在此基礎上,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,焊接界面機械強度高,在金屬-陶瓷焊接中得到廣泛應用。Naka等人[30]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度達到313.8 MPa,而后者在室溫、300°C和700°C時的焊接界面剪切強度分別為158 MPa、316 MPa和260 MPa。

由于DBC陶瓷基板制備工藝溫度高,金屬-陶瓷界面應力大,因此AMB技術越來越受到業(yè)界關注,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。

                                                                                                   圖3 DPC陶瓷基板制備工藝流程

直接電鍍陶瓷基板(DPC):DPC陶瓷基板制備工藝如圖3所示。首先利用激光在陶瓷基片上制備通孔(孔徑一般為60μm～120μm),隨后利用超聲波清洗陶瓷基片;采用磁控濺射技術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3可以看出,DPC陶瓷基板制備前端采用了半導體微加工技術(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(圖形電鍍、填孔、表面研磨、刻蝕、表面處理等),技術優(yōu)勢明顯。具體特點包括:(1)采用半導體微加工技術,陶瓷基板上金屬線路更加精細(線寬/線距可低至30μm～50μm,與線路層厚度相關),因此DPC基板非常適合對準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,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4(b)所示;(3)采用電鍍生長控制線路層厚度(一般為10μm～100μm),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)境污染嚴重;(2)電鍍生長速度低,線路層厚度有限(一般控制在10μm～100μm),難以滿足大電流功率器件封裝需求。目前DPC陶瓷基板主要應用于大功率LED封裝,生產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。

                                                                                    圖4 (a)DPC陶瓷基板產品及其(b)截面圖

金屬線路層與陶瓷基片的結合強度是影響DPC陶瓷基板可靠性的關鍵。由于金屬與陶瓷間熱膨脹系數(shù)差較大,為降低界面應力,需要在銅層與陶瓷間增加過渡層,從而提高界面結合強度。由于過渡層與陶瓷間的結合力主要以擴散附著及化學鍵為主,因此常選擇Ti、Cr和Ni等活性較高、擴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1μm±0.2μm的銅薄膜,二者粘結強度高于34 MPa,而未進行等離子清洗的基片與銅薄膜的粘結強度僅為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強度大于30 MPa。可以看出,對陶瓷基片進行等離子清洗可大大提高與金屬薄膜間的結合強度,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生懸掛鍵,與金屬原子結合更緊密。

電鍍填孔也是DPC陶瓷基板制備的關鍵技術。目前DPC基板電鍍填孔大多采用脈沖電源,其技術優(yōu)勢包括:(1)易于填充通孔,降低孔內鍍層缺陷;(2)表面鍍層結構致密,厚度均勻;(3)可采用較高電流密度進行電鍍,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、攪拌強度及方式和電流參數(shù),實現(xiàn)了通孔與盲孔電鍍。

                                                              圖5 (a)LAM基板工藝流程;(b)LAM基板加工示意圖;(c)LAM基板產品

激光活化金屬陶瓷基板(LAM):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/化學鍍完成線路層制備,工藝流程如圖5(a)所示。其技術優(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10μm～20μm),如圖5(b)所示;(2)可在三維結構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5(c)所示;(3)金屬層與陶瓷基片結合強度高,線路層表面平整,粗糙度在納米級別。從上可以看出,雖然LAM技術可在平面陶瓷基板或立體陶瓷結構上加工線路層,但其線路層由激光束“畫”出來,難以大批量生產,導致價格極高,目前主要應用在航空航天領域異型陶瓷散熱件加工。表1對不同工藝制備的平面電子陶瓷基板性能進行了對比。

                                                                                             表1平面電子陶瓷基板性能對比