电子封装用陶瓷基板材料及其制备工艺

滤波器 2022-05-28 22:45

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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。

来源：先进陶瓷材料 | 先进陶瓷展

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