浅谈电子封装用陶瓷基板材料及其制备工艺

1. 电子封装用陶瓷基板材料及其制备工艺

陶瓷基板由于其良好的导热性、耐热性、绝缘性、低热膨胀系数和成本的不断降低，在电子封装特别是功率电子器件如IGBT（绝缘栅双极晶体管）、LD（激光二极管）、大功率LED（发光二极管）、CPV（聚焦型光伏）封装中的应用越来越广泛。

陶瓷基片主要包括氧化铍（BeO）、氧化铝（Al2O3）和氮化铝（AlN）、氮化硅（Si3N4）。与其他陶瓷材料相比，Si3N4陶瓷基片具有很高的电绝缘性能和化学稳定性，热稳定性好，机械强度大，可用于制造高集成度大规模集成电路板。

几种陶瓷基片材料性能比较

从结构与制造工艺而言，陶瓷基板又可分为HTCC、LTCC、TFC、DBC、DPC等。

高温共烧多层陶瓷基板（HTCC）

HTCC，又称高温共烧多层陶瓷基板。制备过程中先将陶瓷粉（Al2O3或AlN）加入有机黏结剂，混合均匀后成为膏状浆料，接着利用刮刀将浆料刮成片状，再通过干燥工艺使片状浆料形成生坯；然后依据各层的设计钻导通孔，采用丝网印刷金属浆料进行布线和填孔，最后将各生坯层叠加，置于高温炉（1600℃）中烧结而成。此制备过程因为烧结温度较高，导致金属导体材料的选择受限（主要为熔点较高但导电性较差的钨、钼、锰等金属），制作成本高，热导率一般在20~200W/（m·℃）。  

低温共烧陶瓷基板（LTCC）

LTCC，又称低温共烧陶瓷基板，其制备工艺与HTCC类似，只是在Al2O3粉中混入质量分数30%~50%的低熔点玻璃料，使烧结温度降低至850~900℃，因此可以采用导电率较好的金、银作为电极材料和布线材料。因为LTCC采用丝网印刷技术制作金属线路，有可能因张网问题造成对位误差；而且多层陶瓷叠压烧结时还存在收缩比例差异问题，影响成品率。为了提高LTCC导热性能，可在贴片区增加导热孔或导电孔，但成本增加。  

厚膜陶瓷基板（TFC）

相对于LTCC和HTCC，TFC为一种后烧陶瓷基板。采用丝网印刷技术将金属浆料涂覆在陶瓷基片表面，经过干燥、高温烧结（700~800℃）后制备。金属浆料一般由金属粉末、有机树脂和玻璃等组分。经高温烧结，树脂粘合剂被燃烧掉，剩下的几乎都是纯金属，由于玻璃质粘合作用在陶瓷基板表面。烧结后的金属层厚度为10~20μm，最小线宽为0.3mm。由于技术成熟，工艺简单，成本较低，TFC在对图形精度要求不高的电子封装中得到一定应用。  

直接键合铜陶瓷基板（DBC）

由陶瓷基片与铜箔在高温下（1065℃）共晶烧结而成，最后根据布线要求，以刻蚀方式形成线路。由于铜箔具有良好的导电、导热能力，而氧化铝能有效控制 Cu-Al2O3-Cu复合体的膨胀，使DBC基板具有近似氧化铝的热膨胀系数。

DBC基板制备工艺流程

DBC具有导热性好、绝缘性强、可靠性高等优点，已广泛应用于IGBT、LD和CPV 封装。DBC缺点在于，其利用了高温下Cu与Al2O3间的共晶反应，对设备和工艺控制要求较高，基板成本较高；由于Al2O3与Cu层间容易产生微气孔，降低了产品抗热冲击性；由于铜箔在高温下容易翘曲变形，因此DBC表面铜箔厚度一般大于100m；同时由于采用化学腐蚀工艺，DBC基板图形的最小线宽一般大于100m。

直接镀铜陶瓷基板（DPC）

其制作首先将陶瓷基片进行前处理清洗，利用真空溅射方式在基片表面沉积Ti/Cu层作为种子层，接着以光刻、显影、刻蚀工艺完成线路制作，最后再以电镀/化学镀方式增加线路厚度，待光刻胶去除后完成基板制作。

DPC基板制备工艺流程

DPC技术具有如下优点：低温工艺（300℃以下），完全避免了高温对材料或线路结构的不利影响，也降低了制造工艺成本；采用薄膜与光刻显影技术，使基板上的金属线路更加精细，因此DPC基板非常适合对准精度要求较高的电子器件封装。但DPC基板也存在一些不足：电镀沉积铜层厚度有，且电镀废液污染大；金属层与陶瓷间的结合强度较低，产品应用时可靠性较低。

2.  三维陶瓷基板的五大制备技术浅析

许多微电子器件(如加速度计、陀螺仪、深紫外LED等)芯片对空气、湿气、灰尘等非常敏感。如LED芯片理论上可工作10万小时以上，但水汽侵蚀会大大缩短其寿命。为了提高这些微电子器件性能，必须将其芯片封装在真空或保护气体中，实现气密封装。因此，必须首先制备含腔体(围坝)结构的三维陶瓷基板，满足封装应用需求。

三维陶瓷基板性能对比↓↓

目前，常见的三维陶瓷基板主要有：高/低温共烧陶瓷基板(HTCC/LTCC)、多层烧结三维陶瓷基板(MSC)、直接粘接三维陶瓷基板(DAC)、多层镀铜三维陶瓷基板(MPC)以及直接成型三维陶瓷基板(DMC)等。 01 高/低温共烧陶瓷基板(HTCC/LTCC)

HTCC基板制备过程中先将陶瓷粉(Al2O3或AlN)加入有机黏结剂，混合均匀后成为膏状陶瓷浆料，接着利用刮刀将陶瓷浆料刮成片状，再通过干燥工艺使片状浆料形成生胚；然后根据线路层设计钻导通孔，采用丝网印刷金属浆料进行布线和填孔，最后将各生胚层叠加，置于高温炉(1600℃)中烧结而成。由于HTCC基板制备工艺温度高，因此导电金属选择受限，只能采用熔点高但导电性较差的金属(如W、Mo及Mn等)，制作成本较高。

此外，受到丝网印刷工艺限制，HTCC基板线路精度较差，难以满足高精度封装需求。但HTCC基板具有较高机械强度和热导率[20W/(m·K)~200W/(m·K)]，物化性能稳定，适合大功率及高温环境下器件封装。

为了降低HTCC制备工艺温度，同时提高线路层导电性，业界开发了LTCC基板。与HTCC制备工艺类似，只是LTCC制备在陶瓷浆料中加入了一定量玻璃粉来降低烧结温度，同时使用导电性良好的Cu、Ag和Au等制备金属浆料。LTCC基板制备温度低，但生产效率高，可适应高温、高湿及大电流应用要求，在军工及航天电子器件中得到广泛应用。

LTCC制备工艺流程

虽然LTCC基板具有上述优势，但由于在陶瓷浆料中添加了玻璃粉，导致基板热导率偏低[一般仅为3W/(m·K)~7W/(m·K)]。此外，与HTCC一样，由于LTCC基板采用丝网印刷技术制作金属线路，有可能因张网问题造成对位误差，导致金属线路层精度低；而且多层陶瓷生胚叠压烧结时还存在收缩比例差异问题，影响成品率，一定程度上制约了LTCC基板技术发展。

02 多层烧结三维陶瓷基板(MSC)

与HTCC/LTCC基板一次成型制备三维陶瓷基板不同，台湾阳升公司采用多次烧结法制备了MSC基板。首先制备厚膜印刷陶瓷基板(TPC)，随后通过多次丝网印刷将陶瓷浆料印刷于平面TPC基板上，形成腔体结构，再经高温烧结得到MSC基板。

由于陶瓷浆料烧结温度一般在800℃左右，因此要求下部的TPC基板线路层必须能耐受如此高温，防止在烧结过程中出现脱层或氧化等缺陷。TPC基板线路层由金属浆料高温烧结(一般温度为850℃~900℃)制备，具有较好的耐高温性能，适合后续采用烧结法制备陶瓷腔体。

 

MSC陶瓷基板制备工艺流程

 

MSC基板技术生产设备和工艺简单，平面基板与腔体结构独立烧结成型，且由于腔体结构与平面基板均为无机陶瓷材料，热膨胀系数匹配，制备过程中不会出现脱层、翘曲等现象。其缺点在于，下部TPC基板线路层与上部腔体结构均采用丝网印刷布线，图形精度较低；同时，因受丝网印刷工艺限制，所制备的MSC基板腔体厚度有限。因此MSC三维基板仅适用于体积较小、精度要求不高的电子器件封装。

03 直接粘接三维陶瓷基板(DAC)

上述HTCC、LTCC及MSC基板线路层都采用丝网印刷制备，精度较低，难以满足高精度、高集成度封装要求，因此业界提出在高精度DPC陶瓷基板上成型腔体制备三维陶瓷基板。由于DPC基板金属线路层在高温(超过300℃)下会出现氧化、起泡甚至脱层等现象，因此基于DPC技术的三维陶瓷基板制备必须在低温下进行。

 

DAC三维陶瓷基板制备工艺流程

 

台湾瑷司柏公司(ICP)提出采用胶粘法制备三维陶瓷基板。首先加工金属环和DPC陶瓷基板，然后采用有机粘胶将金属环与DPC基板对准后粘接、加热固化。由于胶液流动性好，涂胶工艺简单，成本低，易于实现批量生产，且所有制备工艺均在低温下进行，不会对DPC基板线路层造成损伤。但由于有机粘胶耐热性差，固化体与金属、陶瓷间热膨胀系数差较大，且为非气密性材料，目前DAC陶瓷基板主要应用于线路精度要求较高，但对耐热性、气密性、可靠性等要求较低的电子器件封装。

为了解决上述不足，业界进一步提出采用无机胶替代有机胶的粘接技术方案，大大提高了DAC三维陶瓷基板的耐热性和可靠性。其技术关键是选用无机胶，要求其能在低温(低于200℃)下固化；固化体耐热性好(能长期耐受300℃高温)，与金属、陶瓷材料粘接性好(剪切强度大于10MPa)，同时与金属环(围坝)和陶瓷基片材料热膨胀系数匹配(降低界面热应力)。

04 多层电镀三维陶瓷基板(MPC)

MPC基板采用图形电镀工艺制备线路层，避免了HTCC/LTCC与TPC基板线路粗糙问题，满足高精度封装要求。陶瓷基板与金属围坝一体化成型为密封腔体，结构紧凑，无中间粘结层，气密性高。

 

MPC陶瓷基板制备工艺流程

 

MPC基板整体为全无机材料，具有良好的耐热性，抗腐蚀、抗辐射等。金属围坝结构形状可以任意设计，围坝顶部可制备出定位台阶，便于放置玻璃透镜或盖板，目前已成功应用于深紫外LED封装和VCSEL激光器封装，已部分取代LTCC基板。

其缺点在于：由于干膜厚度限制，制备过程需要反复进行光刻、显影、图形电镀与表面研磨，耗时长(厚度为600μm围坝需要电镀10h以上)，生产成本高；此外，由于电镀围坝铜层较厚，内部应力大，MPC基板容易翘曲变形，影响后续的芯片封装质量与效率。

05 直接成型三维陶瓷基板(DMC)

DMC基板的制备，首先制备平面DPC陶瓷基板，同时制备带孔橡胶模具；将橡胶模具与DPC陶瓷基板对准合模后，向模具腔内填充牺牲模材料；待牺牲模材料固化后，取下橡胶模具，牺牲模粘接于DPC陶瓷基板上，并精确复制橡胶模具孔结构特征，作为铝硅酸盐浆料成型模具；随后将铝硅酸盐浆料涂覆于DPC陶瓷基板上并刮平，加热固化，最后将牺牲模材料腐蚀，得到含铝硅酸盐免烧陶瓷围坝的三维陶瓷基板。

 

DMC陶瓷基板制备工艺流程

 

铝硅酸盐浆料固化温度低，对DPC陶瓷基板线路层影响极小，并与DPC基板制备工艺兼容。橡胶具有易加工、易脱模以及价格低廉等特点，能精确复制围坝结构(腔体)形状与尺寸，保证围坝加工精度。有实验结果表明，腔体深度、直径加工误差均小于30μm，说明该工艺制备的三维陶瓷基板精度高，重复性好，适合量产。铝硅酸盐浆料加热后脱水缩合，主要产物为无机聚合物，其耐热性好，热膨胀系数与陶瓷基片匹配，具有良好的热稳定性；固化体与陶瓷、金属粘接强度高，制备的三维陶瓷基板可靠性高。围坝厚度(腔体高度)取决于模具厚度，理论上不受限制，可满足不同结构和尺寸的电子器件封装要求。

编辑：黄飞