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陶瓷基板是電子封裝的絕佳選擇

日期：2021-07-30 瀏覽次數(shù)：次

以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導體材料，是固態(tài)光源（如LED）、激光器（LD）、電力電子（如IGBT）、聚光光伏（CPV）、微波射頻（RF）等器件的“核芯”，在半導體照明、汽車電子、新一代移動通信（5G）、新能源與新能源汽車、高速軌道交通、消費類電子等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，有望突破傳統(tǒng)半導體技術(shù)瓶頸，與第一代、第二代半導體技術(shù)互補，在光電器件、電力電子、汽車電子、航空航天、深井鉆探等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值，對節(jié)能減排、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、催生新經(jīng)濟增長點將發(fā)揮重要作用。然而，半導體器件的不斷發(fā)展，帶來的是對電子封裝技術(shù)的更高要求。

●電子封裝的作用●

電子封裝是一種將半導體集成電路用絕緣材料打包的技術(shù)，我們常見的半導體器件都是經(jīng)過電子封裝后的產(chǎn)物，電子封裝對于芯片來說是至關(guān)重要的，那么電子封裝又起到了那些作用呢，讓我們接著往下看。

（1）為芯片和電子元件提供機械支撐和環(huán)境保護；

（2）引出芯片正、負極，實現(xiàn)電互聯(lián)和信號傳輸；

（3）提供快速散熱通道，避免局部溫度過高；

（4）有助于器件光、電、熱、集成及可靠性等性能提高。

●陶瓷基板的優(yōu)勢●

電子封裝材料主要包括基板、布線、框架、層間介質(zhì)和密封材料。其中，電子封裝用基板材料要求具有低成本、易加工、高導熱性與絕緣等特性。常用基板材料包括有塑料、金屬和陶瓷等。塑料基板材料具有價格低廉，工藝成熟以及易加工等特性，但其導熱性導電性差，熱膨脹系數(shù)與器件匹配度低，難以滿足中高端封裝需求。金屬基板材料雖導熱率高，但熱膨脹系數(shù)難以與封裝器件匹配，且價格較高，不宜廣泛使用。陶瓷憑借其極好的耐高溫、耐腐蝕、熱導率高、機械強度高、熱膨脹系數(shù)與芯片相匹配及不易劣化等特性成為大功率、高密度、高溫及高頻器件封裝的首選。

●陶瓷基板制備技術(shù)●

現(xiàn)在技術(shù)較為成熟的陶瓷基板有：厚膜陶瓷基板（TPC）、直接鍵合覆銅陶瓷基板（DBC）、直接電鍍銅陶瓷基板（DPC）、高溫共燒陶瓷基板（HTCC）和低溫共燒陶瓷基板（LTCC）等，接下來就讓我們來更深入的了解他們。

（一）厚膜印刷陶瓷基板（TPC）

厚膜印刷陶瓷基板（TPC）通過絲網(wǎng)印刷將金屬漿料涂覆在陶瓷基片上，干燥后經(jīng)高溫燒結(jié)（溫度一般在850-900℃）完成基板制備。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10-20μm（提高金屬層厚度可通過多次絲網(wǎng)印刷實現(xiàn)）。TPC基板制備工藝簡單，對加工設(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。但是，由于絲網(wǎng)印刷工藝限制，TPC基板無法獲得高精度線路（最小線寬/線距一般大于100μm）。此外，為了降低燒結(jié)溫度，提高金屬層與陶瓷基片結(jié)合強度，通常在金屬漿料中添加少量玻璃相，這將降低金屬層電導率和熱導率。因此TPC基板僅在對線路精度要求不高的電子器件（如汽車電子）封裝中得到應(yīng)用。

厚膜印刷陶瓷基板（TPC）產(chǎn)品及其截面圖

（二）直接鍵合覆銅陶瓷基板（DBC）

DBC陶瓷基板制備首先在銅箔（Cu）和陶瓷基片（Al2O3或AlN）間引入氧元素，然后在1065℃形成Cu/O共晶晶相（金屬銅熔點為1083℃）。進而與陶瓷基片和和銅箔發(fā)生反應(yīng)生成CuAlO2或Cu（AlO2）2，實現(xiàn)銅箔與陶瓷間共晶鍵合。由于陶瓷和和銅具有良好的導熱性，且銅箔與陶瓷間共晶鍵合強度高，因此DBC基板具有較高的熱穩(wěn)定性，已廣泛應(yīng)用于絕緣柵雙極晶體管（IGBT）、激光器（LD）和聚光光伏（CPV）等器件封裝散熱中。雖然DBC基板在在實際應(yīng)用中有諸多優(yōu)勢，但在制備過程中要嚴格控制共晶溫度及氧含量，對設(shè)備和工藝控制要求較高，生產(chǎn)成本也較高。此外，由于厚銅刻蝕限制，無法制備出高精度線路層。

直接鍵合覆銅陶瓷基板（DBC）產(chǎn)品圖

（三）直接電鍍陶瓷基板（DPC）

DPC陶瓷基板制備工藝如下：首先利用激光在陶瓷基片上制備通孔（孔徑一般為60-120μm），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。

具體特點包括：

（1）采用半導體微加工技術(shù)，陶瓷基板上金屬線路更加精細（線寬/線距可低至30-50μm，與線路層厚度相關(guān)）；

（2）采用激光打孔與電鍍填孔技術(shù)，實現(xiàn)了陶瓷基板上/下表面垂直互聯(lián)，可實現(xiàn)電子器件三維封裝與集成，降低器件體積；

（3）采用電鍍生長控制線路層厚度（一般為10-100μm），并通過研磨降低線路層表面粗糙度；

（4）低溫制備工藝（300℃以下）避免了高溫對基片材料和金屬線路層的不利影響，同時也降低了生產(chǎn)成本。目前DPC陶瓷基板主要應(yīng)用于大功率LED封裝。

陶瓷基板是電子封裝的絕佳選擇

直接電鍍陶瓷基板（DPC）產(chǎn)品及其截面圖

（四）高溫共燒陶瓷（HTCC）

高溫共燒陶瓷基板（HTCC）制備過程如下：首先將陶瓷粉末（Al2O3或AlN）加入有機黏結(jié)劑，混合均勻后成為膏狀陶瓷漿料，接著利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)計鉆導通孔，采用絲網(wǎng)印刷金屬漿料進行布線和填孔，最后將各生胚層疊加，置于高溫爐中燒結(jié)而成。高溫共燒陶瓷基板燒結(jié)溫度較高，具有機械強度高、熱導率高、化學性質(zhì)穩(wěn)定及布線密度高等優(yōu)點。高溫燒結(jié)陶瓷的金屬化材料一般以熔點高的金屬W、Mo和Mn等為主，然而這類金屬有導電性較差的缺點，需要在該金屬表面鍍Ni和Au來降低傳輸損耗以及起到保護電路的作用，這就使得其制作成本較高。此外，受到絲網(wǎng)印刷工藝限制，HTCC基板線路精度較差，難以滿足高精度封裝需求。

高溫共燒陶瓷基板產(chǎn)品圖

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（五）低溫共燒陶瓷基板（LTCC）

低溫共燒陶瓷基板（LTCC）的制備工藝與高溫共燒陶瓷基板類似，只是低溫高燒陶瓷基板制備時在陶瓷漿料中加入了一定量玻璃粉來降低燒結(jié)溫度，同時使用導電性良好的Cu、Ag和Au等制備金屬漿料。LTCC技術(shù)既通過采用特殊材料體系，降低了燒結(jié)溫度，從而可以和低熔點高電導率金屬實現(xiàn)共燒，又實現(xiàn)了多層燒結(jié)，提高了元器件集成度與封裝密度，從而集合了厚膜技術(shù)和HTCC技術(shù)的優(yōu)點，并有效克服了他們的缺點。但是，收縮率一致性低和散熱性能較差是LTCC基板的性能短板。

LTCC技術(shù)的主要優(yōu)點如下：

（1）LTCC基板陶瓷材料性能優(yōu)異，介電常數(shù)較小，具有優(yōu)良的高頻特性和高品質(zhì)因數(shù)（Q）特性，使用頻率可高達100 GHz甚至更高；

（2）金、銀等具有高電導率的導體材料性能優(yōu)異，能夠滿足大電流和高溫特性的需求，從而可以提高系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)，且基板導熱性能優(yōu)于傳統(tǒng)的印刷電路板材料；

（3）LTCC基板中可埋入無源元件等，顯著提升電路和系統(tǒng)的組裝密度；

（4）LTCC疊層層數(shù)高達上百層，可精細布線至50μm線寬或線間距；

（5）溫度特性良好，熱膨脹系數(shù)（CTE）較小，共振頻率溫度系數(shù)（Tf）較小；

（6）LTCC生產(chǎn)工藝屬于非連續(xù)生產(chǎn)，特定的檢查工序可以提高產(chǎn)品成品率，同時降低成本。

陶瓷基板是電子封裝的絕佳選擇

低溫共燒陶瓷基板產(chǎn)品圖

下表是對常見陶瓷基板部分性能的簡要總結(jié)：

常見陶瓷基板綜合性能對比表

●總結(jié)●

隨著半導體技術(shù)不斷發(fā)展，功率器件也將逐漸向大功率、小型化、集成化、多功能等方向發(fā)展,對電子封裝的要求也越來越高。而陶瓷基板具有高導熱、高耐熱、高絕緣、高強度、低熱脹、耐腐蝕及抗輻射等特點，其應(yīng)用前景廣闊符合半導體行業(yè)對電子封裝的要求。因此需要加強陶瓷基板核心技術(shù)研發(fā)(包括陶瓷粉料、基片及基板制備技術(shù)等)，滿足國內(nèi)飛速發(fā)展的市場需求。

參考來源：

電子封裝陶瓷基板，程浩，陳明祥，羅小兵，彭洋，劉松坡。

無機膠粘接制備三維陶瓷基板技術(shù)研究，黃炎琴。

電子封裝用陶瓷基片材料的研究進展，張兆生，盧振亞，陳志武。

陶瓷基板研究現(xiàn)狀及新進展，陸琪，劉英坤，喬志壯，劉林杰，高嶺。

低溫共燒陶瓷材料的研究進展，張曉輝，鄭欣。