陶瓷基板又稱陶瓷電路板，由陶瓷基片和布線金屬層兩部分組成。封裝基板起著承上啟下，連接內(nèi)外散熱通道的關(guān)鍵作用，同時(shí)兼有電互連和機(jī)械支撐等功能。陶瓷熱導(dǎo)率高、耐熱性好、機(jī)械強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)低，是功率半導(dǎo)體器件封裝常用的基板材料。根據(jù)封裝結(jié)構(gòu)和應(yīng)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。
平面陶瓷基板
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(TFC)、厚膜印刷陶瓷基板(TPC)、直接鍵合銅陶瓷基板(DBC)、活性金屬焊接陶瓷基板(AMB)、直接電鍍銅陶瓷基板(DPC)和激光活化金屬陶瓷基板(LAM)等。
1.薄膜陶瓷基板(TFC)
TFC利用磁控濺射、真空蒸鍍和電化學(xué)沉積等薄膜工藝在陶瓷基板表面形成金屬層，然后通過掩膜和刻蝕等工藝形成特定的金屬圖形。該工藝工作溫度低、布線精度高、金屬層厚度可控以及金屬陶瓷間結(jié)合強(qiáng)度高。常用于薄膜工藝的陶瓷基片材料主要有Al2O3、AlN 和 BeO等。薄膜陶瓷基板主要應(yīng)用于電流小、尺寸小、散熱要求高、布線精度要求高的器件封裝。
2.厚膜印刷陶瓷基板(TPC)
TPC采用絲網(wǎng)印刷工藝印刷金屬布線層，制備工藝簡(jiǎn)單，對(duì)加工設(shè)備和環(huán)境要求低，具有生產(chǎn)效率高、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。但由于絲網(wǎng)印刷工藝限制，TFC 基板無(wú)法獲得高精度線路 ，此外，為了降低燒結(jié)溫度，提高金屬層與陶瓷基片結(jié)合強(qiáng)度，通常在金屬漿料中添加少量玻璃相，這會(huì)不可避免地降低金屬布線層的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。因此厚膜印刷陶瓷基板僅應(yīng)用于對(duì)線路精度要求不高的電子器件封裝，如汽車電子封裝。
3.直接鍵合銅陶瓷基板(DBC)
DBC陶瓷基板是在1000℃以上的高溫條件下，在含氧的氮?dú)庵屑訜幔广~箔和陶瓷基板通過共晶鍵合的方式牢固結(jié)合在一起，其鍵合強(qiáng)度高且具有良好的導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性。廣泛應(yīng)用于絕緣雙極二極管、激光器、聚焦光伏等器件封裝散熱中。
4.活性金屬焊接陶瓷基板(AMB)
AMB陶瓷基板是DBC工藝的進(jìn)一步發(fā)展，該工藝通過含有少量稀土元素的焊料來(lái)實(shí)現(xiàn)陶瓷基板與銅箔的連接，其鍵合強(qiáng)度高、可靠性好。該工藝相較于DBC工藝鍵合溫度低、易操作。制備工藝流程如下圖。
5.直接電鍍銅陶瓷基板(DPC)
DPC陶瓷基板利用激光在陶瓷基片上打孔，采用半導(dǎo)體工藝在陶瓷基片上沉積Cu種子層，通過電鍍工藝填孔，增厚金屬層，該工藝具有電路精度高、制備溫度低的特點(diǎn)。該工藝可實(shí)現(xiàn)陶瓷基板的垂直互連從而提高封裝密度。缺點(diǎn)在于金屬線路層采用電鍍工藝制備，污染環(huán)境，電鍍生長(zhǎng)速度低，線路層厚度有限，難以滿足大電流功率器件封裝需求。DPC陶瓷基板主要應(yīng)用于大功率LED封裝。制
6.激光活化金屬陶瓷基板(LAM)
LAM陶瓷基板通過激光束加熱活化需要金屬化的陶瓷基板表面，然后通過電鍍或化學(xué)鍍形成金屬化布線。該工藝無(wú)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，可在三維結(jié)構(gòu)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，金屬層與陶瓷基片結(jié)合強(qiáng)度高，線路層表面平整，粗糙度在納米級(jí)別。但其難以大批量生產(chǎn)，價(jià)格極高，目前主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。
三維陶瓷基板
常見的三維陶瓷基板主要有：高/低溫共燒陶瓷基板(HTCC/LTCC) 、 多層燒結(jié)三維陶瓷基板(MSC)、直接粘接三維陶瓷基板(DAC)、多層鍍銅三維陶瓷基板(MPC)以及直接成型三維陶瓷基板(DMC)等。
1.高溫共燒陶瓷基板(HTCC)
HTCC基板制備過程中先將陶瓷粉(Al2O3或AlN)加入有機(jī)黏結(jié)劑，混合均勻成為膏狀陶瓷漿料后，用刮刀將陶瓷漿料刮成片狀，再通過干燥工藝使片狀漿料形成生胚，然后根據(jù)線路層設(shè)計(jì)鉆導(dǎo)通孔，采用絲網(wǎng)印刷金屬漿料進(jìn)行布線填孔，最后將生胚層疊加，置于高溫爐中燒結(jié)。該工藝溫度高，導(dǎo)電金屬選擇受限，只能采用熔點(diǎn)高但導(dǎo)電性較差的金屬，制作成本較高。受限于絲網(wǎng)印刷工藝，線路精度較差，難以滿足高精度封裝需求。但HTCC基板具有較高機(jī)械強(qiáng)度和熱導(dǎo)率，物化性能穩(wěn)定，適合大功率及高溫環(huán)境下器件封裝。工藝流程如下圖。
2.低溫共燒陶瓷基板(LTCC)
與HTCC制備工藝類似，只是在陶瓷漿料中加入了一定量玻璃粉來(lái)降低燒結(jié)溫度，同時(shí)使用導(dǎo)電性良好的Cu、Ag和Au等金屬漿料，LTCC基板制備溫度低，但生產(chǎn)效率高，可適應(yīng)高溫、高濕及大電流應(yīng)用要求，在軍工及航天電子器件中得到廣泛應(yīng)用。
3.多層燒結(jié)三維陶瓷基板(MSC)
首先制備厚膜印刷陶瓷基板，隨后通過多次絲網(wǎng)印刷將陶瓷漿料印刷于平面TPC基板上，形成腔體結(jié)構(gòu)，再經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。MSC基板技術(shù)生產(chǎn)設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單，平面基板與腔體結(jié)構(gòu)獨(dú)立燒結(jié)成型，腔體結(jié)構(gòu)與平面基板均為無(wú)機(jī)陶瓷材料，熱膨脹系數(shù)匹配，制備過程中不會(huì)出現(xiàn)脫層、翹曲等現(xiàn)象。缺點(diǎn)在于，下部TPC基板線路層與上部腔體結(jié)構(gòu)均采用絲網(wǎng)印刷布線，圖形精度較低，受絲網(wǎng)印刷工藝限制，所制備的MSC基板腔體厚度有限。因此MSC三維基板僅適用于體積較小、精度要求不高的電子器件封裝。工藝流程如下圖。
4.直接粘接三維陶瓷基板(DAC)
首先加工金屬環(huán)和DPC陶瓷基板，然后采用有機(jī)粘膠將金屬環(huán)與DPC基板對(duì)準(zhǔn)后粘接、加熱固化。工藝簡(jiǎn)單，成本低，可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，所有制備工藝均在低溫下進(jìn)行，不會(huì)對(duì)DPC基板線路層造成損傷。但由于有機(jī)粘膠耐熱性差，固化體與金屬、陶瓷間熱膨脹系數(shù)差較大，且為非氣密性材料，目前DAC陶瓷基板主要應(yīng)用于線路精度要求較高，但對(duì)耐熱性、氣密性、可靠性等要求較低的電子器件封裝。采用無(wú)機(jī)膠替代有機(jī)膠的粘接，大大提高了DAC三維陶瓷基板的耐熱性和可靠性。
5.多層電鍍?nèi)S陶瓷基板(MPC)
MPC基板采用圖形電鍍工藝制備線路層，避免基板線路粗糙問題，滿足高精度封裝要求。陶瓷基板與金屬圍壩一體化成型為密封腔體，結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)中間粘結(jié)層，氣密性高。MPC基板整體為全無(wú)機(jī)材料，具有良好的耐熱性、抗腐蝕、抗輻射等。金屬圍壩結(jié)構(gòu)形狀可以任意設(shè)計(jì)，圍壩頂部可制備出定位臺(tái)階，便于放置玻璃透鏡或蓋板。但干膜厚度限制，制備過程耗時(shí)長(zhǎng)，生產(chǎn)成本高，由于電鍍圍壩銅層較厚，內(nèi)部應(yīng)力大，MPC基板容易翹曲變形，影響后續(xù)的芯片封裝質(zhì)量與效率。
6.直接成型三維陶瓷基板(DMC)
首先制備平面DPC陶瓷基板，同時(shí)制備帶孔橡膠模具，將橡膠模具與 DPC陶瓷基板對(duì)準(zhǔn)合模后，向模具腔內(nèi)填充犧牲模材料，待犧牲模材料固化后，取下橡膠模具，犧牲模粘接于DPC陶瓷基板上，并精確復(fù)制橡膠模具孔結(jié)構(gòu)特征，作為鋁硅酸鹽漿料成型模具，隨后將鋁硅酸鹽漿料涂覆于DPC陶瓷基板上并刮平，加熱固化，最后將犧牲模材料腐蝕，得到含鋁硅酸鹽免燒陶瓷圍壩的三維陶瓷基板。該工藝制備的三維陶瓷基板精度高，重復(fù)性好，適合量產(chǎn)。鋁硅酸鹽漿料加熱后脫水縮合，主要產(chǎn)物為無(wú)機(jī)聚合物，其耐熱性好，熱膨脹系數(shù)與陶瓷基片匹配，具有良好的熱穩(wěn)定性。固化體與陶瓷、金屬粘接強(qiáng)度高，制備的三維陶瓷基板可靠性高。圍壩厚度(腔體高度)取決于模具厚度，理論上不受限制，可滿足不同結(jié)構(gòu)和尺寸的電子器件封裝要求。
總結(jié)
●陶瓷基片材料Al2O3和AlN具有較好的綜合性能，兩者分別在低端和高端陶瓷基板市場(chǎng)占據(jù)主流。 ●平面陶瓷基板TFC基板主要應(yīng)用于小電流光電器件封裝；TPC基板主要應(yīng)用于汽車傳感器等領(lǐng)域；DBC和AMB基板主要應(yīng)用于高功率、大溫變的IGBT封裝；DPC基板主要應(yīng)用于大功率LED封裝；而LAM基板應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。
●三維陶瓷基板制備技術(shù)HTCC/LTCC、MSC基板均采用絲網(wǎng)印刷與高溫?zé)Y(jié)工藝制備，腔體可靠性高，但金屬線路層精度較差；MPC、DAC和 DMC基板通過在DPC基板上電鍍、粘接和固化成型圍壩，具有金屬線路層精度高，圍壩與基板結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，有望在今后的功率器件氣密封裝、三維封裝與集成領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
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