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陶瓷表面金屬化是陶瓷基板在電子封裝領(lǐng)域獲得實(shí)際應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)，金屬在高溫下對(duì)陶瓷表面的潤濕能力決定了金屬與陶瓷之間的結(jié)合力，良好的結(jié)合力是封裝性能穩(wěn)定性的重要保證。因此，如何在陶瓷表面實(shí)施金屬化并改善二者之間的結(jié)合力是陶瓷金屬化的工藝重點(diǎn)。
陶瓷基片→陶瓷基板
上一個(gè)帖子分享了電子封裝陶瓷基板的陶瓷基片材質(zhì)類型（點(diǎn)擊相關(guān)閱讀），下文我們一起來看看如何才能讓一個(gè)“陶瓷基片”變成“陶瓷基板”。
一、厚膜法
厚膜印刷陶瓷基板（ThickPrintingCeramicSubstrate，TPC）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。根據(jù)金屬漿料粘度和絲網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸不同，制備的金屬線路層厚度一般為幾微米到數(shù)十微米的膜層（提高金屬層厚度可通過多次絲網(wǎng)印刷實(shí)現(xiàn)）。
厚膜金屬化基板
優(yōu)缺點(diǎn)：由于絲網(wǎng)印刷工藝限制，TPC基板無法獲得高精度線路，因此TPC基板僅在對(duì)線路精度要求不高的電子器件封裝中得到應(yīng)用。不過厚膜電路雖然精度粗糙（最小線寬/線距一般大于100μm），但其優(yōu)勢(shì)在于性能可靠，對(duì)加工設(shè)備和環(huán)境要求低，具有生產(chǎn)效率高，設(shè)計(jì)靈活，投資小，成本低，多應(yīng)用于電壓高、電流大、大功率的場(chǎng)合。
基材：厚膜集成電路最常用的基片是含量為96％和85％的氧化鋁陶瓷；當(dāng)要求導(dǎo)熱性特別好時(shí)，可采用氧化鈹陶瓷。氮化鋁陶瓷雖然導(dǎo)熱性能也很好，但大多數(shù)金屬對(duì)氮化鋁陶瓷的潤濕性并不理想，因此使用氮化鋁作為基片材料時(shí)需要特殊工藝支持，常見的手段有：①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；②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。
導(dǎo)電漿料：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)。
二、薄膜技術(shù)
薄膜技術(shù)（ThinFilmCeramicSubstrate，TFC）是指采用蒸鍍、光刻與刻蝕等方法制備所需材料膜層的技術(shù)，薄膜的含義不只是膜的實(shí)際厚度，更多的是指在基板上的膜產(chǎn)生方式。厚膜技術(shù)是“加法技術(shù)”，而薄膜技術(shù)是“減法技術(shù)”。使用光刻與刻蝕等工藝使薄膜技術(shù)得到的圖形特征尺寸更小，線條更清晰，更適合高密度和高頻率環(huán)境。
微波集成電路（MIC）基板：高純度(99.6%)氧化鋁基板
薄膜電路的線條細(xì)（最小線寬2μm），精度高（線寬誤差2μm），但也正因“細(xì)小的線”不容起伏，薄膜電路對(duì)基片的表面質(zhì)量要求高，所以用于薄膜電路的基板純度要求高（常見的是99.6%純度的氧化鋁），同時(shí)我們知道陶瓷的高純度也就代表的加工難度及成本的攀升。此外，細(xì)小的線，使其應(yīng)用于大功率大電流存在較困難，因此主要應(yīng)用通信領(lǐng)域小電流器件封裝。
三、直接鍍銅
直接鍍銅（Directplatingcopper，DPC）工藝是在陶瓷薄膜工藝加工基礎(chǔ)上發(fā)展起來的陶瓷電路加工工藝。區(qū)別于傳統(tǒng)的厚膜和薄膜加工工藝，它的加工更加強(qiáng)化電化學(xué)加工要求。通過物理方法實(shí)現(xiàn)陶瓷表面金屬化以后，采用電化學(xué)加工導(dǎo)電銅和功能膜層。
DPC陶瓷基板制備工藝
工藝簡(jiǎn)述：激光在陶瓷基片上制備通孔（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。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(shù)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。
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。其不足之處在于電鍍沉積銅層厚度有限，電鍍廢液污染大，金屬層與陶瓷間結(jié)合強(qiáng)度稍低。
四、直接敷銅法
直接鍵合陶瓷基板，（DirectBondedCopperCeramicSubstrate，DBC）：直接敷銅法，在陶瓷表面(主要是Al2O3和AlN)鍵合銅箔的一種金屬化方法。
DBC陶瓷基板制備工藝
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AlN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。
DCB-Al2O3基板（96%）
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，可滿足高溫、大電流等極端環(huán)境的器件封應(yīng)用要求，是電力電子模塊中久經(jīng)考驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)器件，在IGBT和LD封裝領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)明顯，不過，DBC表面圖形最小線寬一般大于100μm，不適合精細(xì)線路的制作。
五、活性金屬焊接陶瓷基板
由于DBC陶瓷基板制備工藝溫度高，金屬陶瓷界面應(yīng)力大，作為活性DBC的升級(jí)版本，活性金屬焊接陶瓷基板（Active Metal Brazing Ceramic Substrate，AMB）的金屬焊料中加入了少量活性元素（Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta等稀土元素制備），可大大降低銅箔與陶瓷基片間的鍵合溫度。
AMB基板依靠活性焊料與陶瓷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)鍵合，因此結(jié)合強(qiáng)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(duì)焊接質(zhì)量影響較大。
六、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。兩種共燒法雖流程大致相同，但燒結(jié)的溫度卻相差很大。
典型的多層陶瓷基板的制造過程
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2、多層低溫共燒陶瓷技術(shù)(LTCC)，完美匹配高頻通信需求
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。
HTCC材料燒結(jié)的溫度更高，因而具有更高的機(jī)械強(qiáng)度、熱導(dǎo)率以及化學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)具有材料來源廣泛和成本低、布線密度高等優(yōu)點(diǎn)，HTCC基板在對(duì)熱穩(wěn)定性、基體機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)熱性、密封性、可靠性要求較高的大功率封裝領(lǐng)域更有優(yōu)勢(shì)。但由于所用金屬電導(dǎo)率低，會(huì)造成信號(hào)延遲等缺陷，所以不適合做高速或高頻微組裝電路的基板。
而LTCC基板由于玻璃陶瓷低介電常數(shù)和高頻低損耗性能，使之非常適合應(yīng)用于射頻、微波和毫米波器件中。但由于在陶瓷漿料中添加了玻璃類材料，會(huì)使基板導(dǎo)熱率偏低，燒結(jié)溫度較低也使其機(jī)械強(qiáng)度不如HTCC基板。
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編輯：粉體圈Alpha
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