陶瓷基板經(jīng)過燒結(jié)成型為了實(shí)現(xiàn)更好的電氣性能，便于做圖形電路需要在表面做金屬化。金屬化實(shí)現(xiàn)金屬和陶瓷的結(jié)合力，是實(shí)現(xiàn)封裝的重要環(huán)節(jié)。那么陶瓷基板表面金屬化有哪些方面？采用不同金屬化性能特性有什么不同？

       陶瓷基板表面金屬化5個(gè)類別：共燒法 (HTCC和LTCC) 、厚膜法 (TFC) 、直接敷銅法 (DBC) 、直接敷鋁法 (DBA) 及薄膜法 (DPC) 等幾種類別。

 一，共燒法

 共燒多層陶瓷基板因利用厚膜技術(shù)將信號(hào)線、微細(xì)線等無源元件埋入基板中能夠滿足集成電路的諸多要求, 故在近幾年獲得了廣泛的關(guān)注。

共燒法有兩種, 一種是高溫共燒 (HTCC) , 另一種是低溫共燒 (LTCC) , 兩者工藝流程基本相同, 主要生產(chǎn)工藝流程均為漿料配制、流延生帶、干燥生坯、鉆導(dǎo)通孔、網(wǎng)印填孔、網(wǎng)印線路、疊層燒結(jié)以及最后的切片等后處理過程。將氧化鋁粉末與有機(jī)粘接劑混合形成漿料, 再利用刮刀把漿料加工成片狀, 經(jīng)干燥后形成陶瓷生坯, 然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求在生坯上加工導(dǎo)通孔并填充金屬粉末, 利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在生坯表面涂布形成線路圖形。

 最后將各層生坯層疊后進(jìn)行壓合, 在共燒爐內(nèi)完成燒結(jié)并成型。兩種共燒法雖流程大致相同, 但燒結(jié)的溫度卻相差很大。HTCC共燒溫度為1300~1600℃, 而LTCC燒結(jié)溫度則為850~900℃。造成這種差別的主要原因在于LTCC燒結(jié)漿料中加入了可以降低燒結(jié)溫度的玻璃材料, 這是HTCC共燒漿料中所沒有的。雖然玻璃材料可降低燒結(jié)溫度, 但是導(dǎo)致基板的熱導(dǎo)率大幅下降。

       共燒陶瓷基板在增加組裝密度、縮短互連長(zhǎng)度、減少信號(hào)延遲、減小體積、提高可靠性等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。共燒基板更多的應(yīng)用是將多種無源器件埋置于陶瓷漿料中燒結(jié), 制作成三維集成且互不干擾的高密度電路, 在其表面貼裝IC和有源器件, 制作成功能集成模塊, 進(jìn)一步減小電路結(jié)構(gòu), 提高集成密度, 特別適用于高頻通訊用組件。

 然而, 因HTCC與LTCC均是采用網(wǎng)版印刷完成圖形制作, 因此圖形尺寸精度及表面粗糙度受印刷工藝的影響較大。同時(shí), 層壓過程中也極易造成圖形對(duì)位不精準(zhǔn)而導(dǎo)致公差累積過大等問題。再者, 生坯在燒結(jié)過程中容易出現(xiàn)收縮不一致的情況, 這在很大程度上也限制了共燒工藝的應(yīng)用。

  二，厚膜法 (TFC)

        厚膜法是指采用絲網(wǎng)印刷的方式, 將導(dǎo)電漿料直接涂布在陶瓷基體上, 然后經(jīng)高溫?zé)Y(jié)使金屬層牢固附著于陶瓷基體上的制作工藝。厚膜導(dǎo)體漿料的選擇是決定厚膜工藝的關(guān)鍵因素, 它由功能相 (即金屬粉末, 粒徑在2μm以內(nèi)) 、粘結(jié)相 (粘結(jié)劑) 和有機(jī)載體所組成。常見的金屬粉末有Au、Pt、Au/Pt、Au/Pd、Ag、Ag/Pt、Ag/Pd、Cu、Ni、Al及W等金屬, 其中以Ag、Ag/Pd和Cu漿料居多。粘結(jié)劑一般是玻璃料或金屬氧化物或是二者的混合物, 其作用是連結(jié)陶瓷與金屬并決定著厚膜漿料對(duì)基體陶瓷的附著力, 是厚膜漿料制作的關(guān)鍵。有機(jī)載體的作用主要是分散功能相和粘結(jié)相, 同時(shí)使厚膜漿料保持一定的粘度, 為后續(xù)的絲網(wǎng)印刷做準(zhǔn)備, 在燒結(jié)過程中會(huì)逐漸揮發(fā)。

目前對(duì)于氧化鋁厚膜電子漿料的研究已經(jīng)趨于成熟, 而氮化鋁厚膜電子漿料尚有較大的發(fā)展空間, 這是由多數(shù)金屬對(duì)氮化鋁陶瓷的潤(rùn)濕性不理想所導(dǎo)致的。為改善厚膜制作過程中金屬與氮化鋁陶瓷之間的結(jié)合力, 最常見的方法有兩種, 一是利用玻璃料作為粘結(jié)相使金屬層與AlN層達(dá)到機(jī)械結(jié)合;二是添加與AlN能夠反應(yīng)的物質(zhì)作為粘結(jié)相, 通過與AlN反應(yīng)達(dá)到化學(xué)結(jié)合。目前氮化鋁漿料大部分玻璃粘結(jié)體系的主要成分為SiO2-B2O3, 這是因?yàn)楣杷猁}玻璃和硼酸鹽玻璃對(duì)金屬及氮化鋁均有很好的潤(rùn)濕效果。另外, 硼酸鹽玻璃的軟化點(diǎn)較低, 能夠提高燒成速率, 增強(qiáng)燒結(jié)后的密度。但硼酸鹽軟化點(diǎn)低的特性也會(huì)使其在未達(dá)到金屬化燒結(jié)溫度前就發(fā)生軟化流動(dòng), 從而不能使金屬層與氮化鋁陶瓷形成有效的網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu), 硅酸鹽的加入可以有效解決這一問題。同時(shí), 還可以通過向玻璃相中添加適量的堿金屬和堿土金屬以進(jìn)一步改善玻璃相的性能, 這是因?yàn)閴A或堿土金屬能夠使玻璃發(fā)生分化, 降低玻璃的粘度。一般隨著堿或堿土金屬添加量的增加, 粘度會(huì)顯著降低, 從而有利于提高漿料的流動(dòng)性, 加速金屬化燒結(jié), 常用的堿或堿土金屬有LiO2、Na2O、K2O、BaO和PdO等。此外, 還可以加入一些能夠與氮化鋁反應(yīng)生成新相的物質(zhì), 如Cr2O3、PdO、ZnO等, 利用新相形成的反應(yīng)結(jié)合力提高漿料金屬化后的附著強(qiáng)度。有研究指出, 一些硅和硼的堿土金屬氧化物, 以及鋯、鐵、鉛及磷等的氧化物, 它們能夠與AlN發(fā)生反應(yīng)生成新物質(zhì)。例如使用ZrB2粘結(jié)相, 反應(yīng)過程中由于新相Al2O3·B2O3 (硼鋁尖晶石) 的生成, 可使金屬化層與氮化鋁陶瓷結(jié)合力高達(dá)24MPa, 反應(yīng)過程中產(chǎn)生的ZrO2還能加速AlN的氧化, 從而促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。

厚膜TFC燒結(jié)后的金屬層厚度一般為10~20μm, 最小線寬為0.1 mm。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LED封裝中得到一定應(yīng)用。同時(shí), TFC因存在著圖形精準(zhǔn)度低 (誤差為±10%) 、鍍層穩(wěn)定性易受漿料均勻性影響、線面平整度不佳 (3μm以上) 及附著力不易控制等缺點(diǎn), 使其應(yīng)用范圍受到了一定的限制。

三．直接敷銅法

      DBC是在陶瓷表面 (主要是Al2O3和AlN) 鍵合銅箔的一種金屬化方法, 它是隨著板上芯片 (COB) 封裝技術(shù)的興起而發(fā)展出來的一種新型工藝。其基本原理是在Cu與陶瓷之間引進(jìn)氧元素, 然后在1065~1083℃時(shí)形成Cu/O共晶液相, 進(jìn)而與陶瓷基體及銅箔發(fā)生反應(yīng)生成CuAlO2或Cu(AlO2)2, 并在中間相的作用下實(shí)現(xiàn)銅箔與基體的鍵合。因Al N屬于非氧化物陶瓷, 其表面敷銅的關(guān)鍵在于在其表面形成一層Al2O3過渡層, 并在過渡層的作用下實(shí)現(xiàn)銅箔與基體陶瓷的有效鍵合。

氧的引入是DBC工藝中一個(gè)非常關(guān)鍵的步驟, 氧化時(shí)間與氧化溫度是該工藝中兩個(gè)最重要的參數(shù), 對(duì)鍵合后陶瓷與銅箔之間的結(jié)合力有著非常重要的影響。當(dāng)氧化時(shí)間和氧化溫度固定時(shí), 沒經(jīng)預(yù)氧化處理的Al2O3基體在與銅箔敷接的過程中, 因氧難以滲入銅箔與陶瓷基板的界面, Cu/O液相對(duì)基板的潤(rùn)濕性較差, 最后會(huì)在界面上殘留大量的空洞和缺陷。而基體經(jīng)預(yù)氧化處理后, 可在敷接的同時(shí)給予充足的供氧, 則Cu/O液相對(duì)陶瓷基體和銅箔潤(rùn)濕性良好, 界面空洞及缺陷明顯減少, 銅箔與基體的結(jié)合力也較為牢固。而對(duì)于Al N而言, 因AlN是強(qiáng)共價(jià)鍵化合物, Cu/O液相對(duì)其潤(rùn)濕性較差, 在其表面利用DBC方式敷銅時(shí)則必須通過表面改性的方式來增強(qiáng)Cu/O液相對(duì)陶瓷基體的潤(rùn)濕性以確保銅箔與基體的結(jié)合力。目前一般的做法是利用預(yù)氧化的方式在Al N表面形成一定厚度、分散均勻且結(jié)構(gòu)致密的Al2O3薄膜。因氧化鋁薄膜與氮化鋁基體的熱膨脹系數(shù)不匹配, 室溫條件下兩相界面可能會(huì)因內(nèi)應(yīng)力的存在而導(dǎo)致結(jié)合力變差, 所以膜的質(zhì)量是后續(xù)敷接成敗的關(guān)鍵。一般而言, 欲實(shí)現(xiàn)二者的有效結(jié)合, 必須在保證氧化膜致密的前提下, 盡可能減小膜的厚度來降低A N與Al2O3兩相之間的內(nèi)應(yīng)力。井敏等對(duì)DBC工藝展開了系統(tǒng)的研究, 利用熔融Na OH粗化陶瓷表面的方法, 獲得了剝離強(qiáng)度為6.5 N/mm以上、熱導(dǎo)率為11.86W/ (m·K) 的DBC陶瓷基板。謝建軍等用DBC技術(shù)制備了Cu/Al2O3、Cu/AlN復(fù)合陶瓷基板材料, 銅箔和AlN陶瓷基板間的結(jié)合強(qiáng)度超過了8.00 N/mm, 銅箔和AlN陶瓷之間存在厚度約為2μm的過渡層, 其成分主要為Al2O3、CuAlO2和Cu2O化合物, 隨著敷接溫度升高, Cu/AlN的界面結(jié)合強(qiáng)度逐漸增大。AKara-Slimane等在真空條件下, 溫度為1000℃、壓強(qiáng)為4~12 MPa時(shí), 利用DBC工藝制得氮化鋁陶瓷基板, 其剝離強(qiáng)度高達(dá)32 MPa。

銅箔具有良好的導(dǎo)電及導(dǎo)熱性能, 而氧化鋁不僅具有導(dǎo)熱性能好、絕緣性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn), 還能有效地控制CuAl2O3-Cu復(fù)合體的膨脹, 使DBC陶瓷基板具有近似氧化鋁的熱膨脹系數(shù), 現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于IGBT、LD和CPV等的封裝散熱管理中。因DBC熱壓鍵合的銅箔一般較厚, 為100~600μm, 具有強(qiáng)大的載流能力, 在IGBT和LD封裝領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)明顯。

雖然DBC在實(shí)際工程運(yùn)用中存在許多優(yōu)勢(shì), 但同時(shí)也存在如下不足: (1) DBC工藝需要在高溫條件下引入氧元素使Cu與Al2O3發(fā)生共晶反應(yīng), 對(duì)設(shè)備和工藝控制要求較高, 基板制作成本較高; (2) Al2O3與Cu層之間容易產(chǎn)生微氣孔, 基板抗熱沖擊性能會(huì)受影響; (3) DBC表面鍵合銅箔厚度一般在100μm以上, 表面圖形最小線寬一般大于100μm, 不適合精細(xì)線路的制作。

      四，直接敷鋁法

      直接敷鋁法是利用鋁在液態(tài)下對(duì)陶瓷有著較好的潤(rùn)濕性以實(shí)現(xiàn)二者的敷接。當(dāng)溫度升至660℃以上時(shí), 固態(tài)鋁發(fā)生液化, 當(dāng)液態(tài)鋁潤(rùn)濕陶瓷表面后, 隨著溫度的降低, 鋁直接在陶瓷表面提供的晶核結(jié)晶生長(zhǎng), 冷卻到室溫實(shí)現(xiàn)兩者的結(jié)合。由于鋁較為活潑, 在高溫條件下容易氧化生成Al2O3薄膜而存在于鋁液表面, 大大降低鋁液對(duì)陶瓷表面的潤(rùn)濕性, 使敷接難以實(shí)現(xiàn), 因此在敷接前必須將其去除或是在無氧條件下進(jìn)行敷接。彭榕等采取石墨模具壓鑄的方法, 將純凈的鋁液通過壓力鋪在Al2O3基板和AlN基板表面, 而Al2O3膜由于沒有流動(dòng)性而留在模具空腔里, 冷卻后制得敷接完好的DAB基板。

     鑒于鋁液對(duì)陶瓷表面的潤(rùn)濕性是影響DAB成敗的關(guān)鍵, 國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)潤(rùn)濕性展開了大量的研究工作。KaraSlimane采用鋁作為中間層敷接Al N/Al/Fe時(shí)指出, 敷接過程中必須施加一定的壓力, 以打破液態(tài)鋁表面出現(xiàn)的Al2O3層, 才能實(shí)現(xiàn)鋁與氮化鋁和鐵的有效敷接。以上考慮的是物理敷接, 即鋁/陶瓷界面不存在化學(xué)反應(yīng), 這樣鋁和陶瓷之間的結(jié)合強(qiáng)度就取決于兩者之間的粗糙度增大而造成的機(jī)械鎖合作用, 與DBC相比其結(jié)合力比較小。但兩者之間的結(jié)合沒有第二相生成, 與DBC相比具有低界面應(yīng)力和高界面熱導(dǎo)的優(yōu)勢(shì)。在敷接鋁之前, 對(duì)陶瓷進(jìn)行表面處理以增大敷接強(qiáng)度是非常關(guān)鍵的工藝環(huán)節(jié)。

      陶瓷基板表面粗糙度在很大程度上影響敷接性能, 保持一定的粗糙度是提高敷接強(qiáng)度的必要條件。因此如何處理陶瓷基板以改變其粗糙度是提高鋁/陶瓷之間結(jié)合強(qiáng)度的關(guān)鍵。Lin等對(duì)Al2O3/Al/Al2O3的敷接溫度及性能進(jìn)行了研究, 并在1 100℃制備出熱導(dǎo)率達(dá)32 W/ (m·K) 的高鍵合強(qiáng)度DAB基板。井敏等通過燒結(jié)Cu2O于Al2O3基板上首先形成一種穩(wěn)定的Cu Al2O4相, 在1 000℃下經(jīng)H2還原使基板表面生成一層銅膜, 最后在真空環(huán)境下用活潑金屬鎂和碳粉保護(hù)的方法, 隔絕了氧氣與金屬鋁的接觸, 在760℃以下共晶實(shí)現(xiàn)敷接, 制備了敷接強(qiáng)度高達(dá)11.9 MPa的Al/Al2O3的DAB陶瓷基板。

      DAB陶瓷基板熱穩(wěn)定性良好, 與同結(jié)構(gòu)的DBC相比質(zhì)量可減輕44%,鋁線鍵合能力佳, 鋁/陶瓷之間的熱應(yīng)力也相對(duì)較小, 近年來發(fā)展迅速。Al2O3-DAB基板及Al N-DAB基板具有優(yōu)異的導(dǎo)熱特性、良好的抗熱震疲勞性能、出色的熱穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕和良好的鋁線鍵合能力, 基于DAB基板的電力器件模塊已成功在日本汽車工業(yè)中得到應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)DAB技術(shù)做了大量的研究工作, 但對(duì)鋁/陶瓷界面細(xì)節(jié)方面的研究還不夠深入。因?qū)ρ鹾坑袊?yán)格的限制, DAB對(duì)設(shè)備和工藝控制要求較高, 基板制作成本較高。且表面鍵合鋁厚度一般在100μm以上, 不適合精細(xì)線路的制作, 其推廣和應(yīng)用也因此而受限。

      五，薄膜法 (Direct plated copper, DPC)

      薄膜法是主要采用物理氣相沉積 (真空蒸鍍、磁控濺射等) 等技術(shù)在陶瓷表面形成金屬層, 再采用掩膜、刻蝕等操作形成金屬電路層的工藝過程。其中物理氣相沉積是最常見的薄膜制造工藝。

物理氣相沉積是采用蒸鍍或?yàn)R射等方法在陶瓷表面形成一層3~5μm的金屬薄膜作為陶瓷基板的導(dǎo)電層。因金屬銅層與陶瓷層易發(fā)生熱循環(huán)剝離失效, 因此界面鍵合強(qiáng)度成為DPC基板的技術(shù)瓶頸。陶瓷與金屬薄膜的結(jié)合力、金屬薄膜與芯片的焊接性能以及金屬薄膜自身的導(dǎo)電能力是衡量薄膜質(zhì)量的三個(gè)重要指標(biāo)。金屬薄膜與氮化鋁的結(jié)合力決定了薄膜工藝陶瓷基板的實(shí)用性與可靠性, 而結(jié)合力則受到范德華力、化學(xué)鍵力、擴(kuò)散附著、機(jī)械鎖合、靜電引力及薄膜自身內(nèi)應(yīng)力的綜合影響, 其中以擴(kuò)散附著和化學(xué)鍵力為主要因素。因此需要選擇Al、Cr、Ti、Ni、Cu等活性較高、擴(kuò)散性能好的金屬作為過渡層。導(dǎo)電層承擔(dān)著電氣連接及焊接的功能, 因此需要選擇Au、Cu、Ag等電阻率低、耐高溫、化學(xué)性能穩(wěn)定且擴(kuò)散系數(shù)小的金屬材料。對(duì)DPC陶瓷基板制備工藝進(jìn)行了研究, 結(jié)果表明通過采用W/Ti合金作過渡層能提高鍵合強(qiáng)度, 當(dāng)過渡層厚度為200 nm時(shí), 制備的薄膜Al2O3陶瓷基板的結(jié)合力強(qiáng)度大于97.2 N。另外, 除利用物理氣相沉積制備薄膜外, 還有學(xué)者利用化學(xué)鍍的方法在陶瓷表面獲得了銅薄膜。重慶大學(xué)薛生杰等利用化學(xué)鍍的方法, 通過優(yōu)化各類工藝參數(shù), 制備了結(jié)合力為18.45 N、電導(dǎo)率為2.65×10^6 S/m、沉積速率為0.026 g/ (s·cm2) 、熱導(dǎo)率為147.29 W/ (m·K) 的Al N薄膜陶瓷基板。

與其他陶瓷表面金屬化方法相比, DPC工藝操作溫度低, 一般在300℃以下, 降低了制造工藝成本, 同時(shí)有效避免了高溫對(duì)材料的不利影響。DPC基板利用黃光微影技術(shù)制作圖形電路, 線寬可控制在20~30μm, 表面平整度可達(dá)3μm以下, 圖形精度誤差可控制在±1%之內(nèi), 非常適合對(duì)電路精度要求較高的電子器件封裝。特別是在利用激光對(duì)DPC基板切孔與通孔填銅后, 可實(shí)現(xiàn)陶瓷基板上下表面的互聯(lián), 從而滿足電子器件的三維封裝要求。DPC不僅降低了封裝體積, 還能有效提高封裝集成度。DPC陶瓷基板雖具有上述諸多優(yōu)點(diǎn), 但是也存在著諸如電鍍沉積銅層厚度有限, 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)可靠性較低等不足。

不同陶瓷基板金屬化陶瓷級(jí)別特性不同

陶瓷基板具備一定的絕緣、耐熱、耐壓能力與熱匹配性能。因陶瓷基板具有優(yōu)異的導(dǎo)熱與絕緣性能, 在功率型電子元器件的封裝應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)凸顯, 是日后功率型電子封裝散熱基板的主要發(fā)展方向之一。以下是陶瓷基板通過五種不同金屬化的性能特征對(duì)比展示：

不同金屬化陶瓷基板特性不同

金瑞欣陶瓷基板金屬化目前主流的是DBC和DPC陶瓷金屬化，DBC覆銅金屬結(jié)合力高達(dá)15N/mm以上 ，DPC薄膜電鍍對(duì)位精準(zhǔn)，精密線路，鍍膜最薄0.15mm,可做板厚度0.15-8.0mm，歡迎咨詢。