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電子封裝用各種先進(jìn)陶瓷基板材料

日期：2021-04-28 瀏覽次數(shù)：次

在電子封裝過程中,基板主要起機(jī)械支撐保護(hù)與電互連(絕緣)作用。隨著電子封裝技術(shù)逐漸向著小型化、高密度、多功能和高可靠性方向發(fā)展示，電子系統(tǒng)的功率密度隨之增加，散熱問題越來越嚴(yán)重。器件的散熱影響條件眾多，其中基板材料的選用也是關(guān)鍵的一環(huán)。

目前，電子封裝常用的基板材料主要有四大類：聚合物基板；金屬基板；復(fù)合基板；陶瓷基板。陶瓷基板材料以其強(qiáng)度高、絕緣性好、導(dǎo)熱和耐熱性能優(yōu)良、熱膨脹系數(shù)小、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子封裝基板。

陶瓷封裝基板材料主要包括Al₂O₃、BeO和AlN等。目前，Al₂O₃陶瓷是應(yīng)用最成熟的陶瓷封裝材料，以其耐熱沖擊性和電絕緣性較好、制作和加工技術(shù)成熟而被廣泛應(yīng)用。

相對(duì)于塑料基和金屬基，其優(yōu)點(diǎn)是：（1）低介電常數(shù)，高頻性能好；（2）絕緣性好、可靠性高；（3）強(qiáng)度高，熱穩(wěn)定性好；（4）熱膨脹系數(shù)低，熱導(dǎo)率高；（5）氣密性好，化學(xué)性能穩(wěn)定；（6）耐濕性好，不易產(chǎn)生微裂現(xiàn)象。陶瓷封裝材料缺點(diǎn)是：成本較高，適用于高級(jí)微電子器件的封裝，如航空航天和軍事工程的高可靠、高頻、耐高溫、氣密性強(qiáng)的封裝；在移動(dòng)通信、家用電器、汽車等領(lǐng)域也有著廣泛應(yīng)用。

美國、日本等國相繼開發(fā)出多層陶瓷基片，使其成為一種廣泛應(yīng)用的高技術(shù)陶瓷，目前已投入使用的陶瓷基片材料有Al₂O₃、BeO和AlN、SiC和莫來石等。從結(jié)構(gòu)與制作工藝，陶瓷基板可分為高溫共燒多層陶瓷基板、低溫共燒陶瓷基板、厚膜陶瓷基板、直接鍵合銅陶瓷基板等，下面將為大家分類說明。

一、高溫共燒多層陶瓷基板

高溫共燒多層陶瓷基板制備工藝是：先將陶瓷粉（Si₃N₄、Al₂O₃、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。因?yàn)闊Y(jié)溫度高，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·℃）（取決于陶瓷粉體組成與純度）。

圖1 多層氮化硅陶瓷覆銅基板（來源：京瓷）

二、低溫共燒陶瓷基板

低溫共燒陶瓷基板制備工藝與高溫共燒多層陶瓷基板類似，其區(qū)別是在Al₂O₃粉體中混入質(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、銀作為電極和布線材料。但另一方面，因?yàn)榈蜏毓矡沾苫逄沾闪现泻胁Ａ?，其綜合熱導(dǎo)率僅為2~3W/（m·℃）。此外，由于低溫共燒陶瓷基板采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制作金屬線路，有可能因張網(wǎng)問題造成對(duì)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。

圖2 Al2O3陶瓷電子封裝材料（來源：京瓷）

這里需要注意的是，在實(shí)際生產(chǎn)中，為了提高低溫共燒陶瓷基板導(dǎo)熱性能，可在貼片區(qū)增加導(dǎo)熱孔或?qū)щ娍?，但缺點(diǎn)是會(huì)造成成本增加。同時(shí)為了拓展陶瓷基板的應(yīng)用領(lǐng)域，一般采用多層疊壓共燒工藝，可以制備出含腔體的多層結(jié)構(gòu)（通常稱為陶瓷管殼而非陶瓷基板），滿足電子器件氣密封裝要求，廣泛應(yīng)用于航空航天等環(huán)境惡劣及光通信等可靠性要求較高的領(lǐng)域。

三、厚膜陶瓷基板

相對(duì)于高溫共燒多層陶瓷基板和低溫共燒陶瓷基板，厚膜陶瓷基板為后燒陶瓷基板。其制備工藝是：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（Ag-Pd或Ag-Pt）、有機(jī)樹脂和玻璃粉等組成。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(jiǎn)單，成本較低，厚膜陶瓷基板在對(duì)圖形精度要求不高的電子封裝中得到一定應(yīng)用。

圖3 厚膜陶瓷基板樣品

四、直接鍵合銅陶瓷基板

直接鍵合銅陶瓷基板是由陶瓷基片（Al₂O₃或AlN）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，使直接鍵合銅陶瓷基板具有近似氧化鋁的熱膨脹系數(shù)。

直接鍵合銅陶瓷基板優(yōu)點(diǎn)是：導(dǎo)熱性好、絕緣性強(qiáng)、可靠性高等，已廣泛應(yīng)用于絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、半導(dǎo)體激光器（LD）和CPV封裝。特別是由于銅箔較厚（100~600μm），在IGBT和LD封裝領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)明顯。

其缺點(diǎn)在于：1）直接鍵合銅陶瓷基板制備利用了高溫下Cu與Al₂O₃間的共晶反應(yīng)，對(duì)設(shè)備和工藝控制要求較高，基板成本較高。2）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。3）由于銅箔在高溫下容易翹曲變形，因此直接鍵合銅陶瓷基板表面銅箔厚度一般大于100μm；同時(shí)由于采用化學(xué)腐蝕工藝，直接鍵合銅陶瓷基板圖形的最小線寬一般大于100μm。

圖4 直接鍵合銅陶瓷基板制備工藝流程

五、直接鍍銅陶瓷基板

直接鍍銅陶瓷基板制備工藝是：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。

直接鍍銅陶瓷基板優(yōu)點(diǎn)：1）低溫工藝（300℃以下），完全避免了高溫對(duì)材料或線路結(jié)構(gòu)的不利影響，也降低了制造工藝成本。2）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)（線寬尺寸20~30μm，表面平整度低于0.3μm，線路對(duì)準(zhǔn)精度誤差小于±1%），因此直接鍍銅陶瓷基板非常適合對(duì)準(zhǔn)精度要求較高的電子器件封裝。特別是采用激光打孔與通孔填銅技術(shù)后（實(shí)現(xiàn)陶瓷基板上下表面互聯(lián)），可實(shí)現(xiàn)電子器件三維封裝，降低器件體積，提高封裝集成度。

直接鍍銅陶瓷基板缺點(diǎn)：1）電鍍沉積銅層厚度有限，且電鍍廢液污染大。2）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。

圖5 氧化鋁多層基板應(yīng)用例

在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，對(duì)于陶瓷基板材料為了降低基板翹曲，一般采用三明治結(jié)構(gòu)（陶瓷基片上下面同時(shí)制作金屬層）。正面金屬層用于貼裝芯片，反面則用于平衡應(yīng)力（由于金屬與陶瓷熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生），同時(shí)易于與下部的金屬熱沉焊接。

參考文獻(xiàn)：

1、程浩，陳明祥，郝自亮，劉松坡，功率電子封裝用陶瓷基板技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)展，電子元件與材料。

2、崔嵩，黃岸兵，張浩，MCM用氮化鋁共燒多層陶瓷基板的研究，電子元件與材料。

3、龍樂，低溫共燒陶瓷基板及其封裝應(yīng)用，電子與封裝。

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