电子封装用各种先进陶瓷基板材料

日期：2021-04-28 浏览次数：次

在电子封装过程中,基板主要起机械支撑保护与电互连(绝缘)作用。随着电子封装技术逐渐向着小型化、高密度、多功能和高可靠性方向发展示，电子系统的功率密度随之增加，散热问题越来越严重。器件的散热影响条件众多，其中基板材料的选用也是关键的一环。

目(mu)前，电子封装(zhuang)常用(yong)的基(ji)(ji)(ji)(ji)板材(cai)料主要有(you)四大类：聚合(he)物基(ji)(ji)(ji)(ji)板；金(jin)属基(ji)(ji)(ji)(ji)板；复合(he)基(ji)(ji)(ji)(ji)板；陶瓷(ci)(ci)基(ji)(ji)(ji)(ji)板。陶瓷(ci)(ci)基(ji)(ji)(ji)(ji)板材(cai)料以其强度(du)高、绝(jue)缘性好(hao)、导热(re)和耐热(re)性能优良、热(re)膨胀系数小(xiao)、化(hua)学稳定性好(hao)等优点，广泛应用(yong)于电子封装(zhuang)基(ji)(ji)(ji)(ji)板。

陶瓷封装基板材(cai)料主要包(bao)括Al₂O₃、BeO和AlN等。目前，Al₂O₃陶(tao)瓷是应用最成(cheng)熟的陶(tao)瓷封装材(cai)料(liao)，以其(qi)耐(nai)热冲击性(xing)和电绝(jue)缘性(xing)较好、制(zhi)作和加工技术成(cheng)熟而被广泛应用。

相对于塑(su)料(liao)基(ji)和(he)金(jin)属基(ji)，其优点是(shi)：（1）低介电常数，高频性能好；（2）绝缘性好、可靠性高；（3）强度高，热稳定性好；（4）热膨胀系数低，热导率高；（5）气密性好，化学性能稳定；（6）耐湿性好，不易产生微裂现象。陶瓷封装材料缺点是：成本较高，适用于高级微电子器件的封装，如航空航天和军事工程的高可靠、高频、耐高温、气密性强的封装；在移动通信、家用电器、汽车等领域也有着广泛应用。

美国、日本等国相(xiang)继开发(fa)出多层陶瓷基片(pian)(pian)，使其成为一种广泛应用的高技术陶瓷，目(mu)前已投入使用的陶瓷基片(pian)(pian)材料有Al₂O₃、BeO和AlN、SiC和莫来石等。从结构与制作工艺，陶瓷基板可分为高温共烧多层陶瓷基板、低温共烧陶瓷基板、厚膜陶瓷基板、直接键合铜陶瓷基板等，下面将为大家分类说明。

一、高温(wen)共烧多层陶(tao)瓷基板

高温共烧(shao)多层陶(tao)瓷基(ji)板制备工艺是：先将(jiang)陶(tao)瓷粉(fen)（Si₃N₄、Al₂O₃、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。因为烧结温度高，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·℃）（取决于陶瓷粉体组成与纯度）。

图1 多层氮化硅陶瓷覆铜基板（来源：京瓷）

二、低温(wen)共(gong)烧陶瓷基板

低(di)温共烧陶(tao)瓷基(ji)板制备工(gong)艺(yi)与高(gao)温共烧多层陶(tao)瓷基(ji)板类似，其区别是在Al₂O₃粉体(ti)中混入质(zhi)量分(fen)数(shu)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、银作为电极和布线材料。但另一方面，因为低温共烧陶瓷基板陶瓷料中含有玻璃相，其综合热导率仅为2~3W/（m·℃）。此外，由于低温共烧陶瓷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；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。

图2 Al2O3陶瓷电子封装材料（来源：京瓷）

这里需要注意的(de)(de)是(shi)，在(zai)实际生产中，为(wei)了提高低温(wen)共烧陶(tao)瓷(ci)(ci)基板(ban)(ban)导热性能，可(ke)在(zai)贴片区增加导热孔(kong)或导电(dian)(dian)孔(kong)，但缺点是(shi)会(hui)造(zao)成成本增加。同时为(wei)了拓展陶(tao)瓷(ci)(ci)基板(ban)(ban)的(de)(de)应用(yong)领域，一般采用(yong)多层叠压(ya)共烧工艺，可(ke)以(yi)制(zhi)备出含腔(qiang)体的(de)(de)多层结构（通常称为(wei)陶(tao)瓷(ci)(ci)管壳(qiao)而非陶(tao)瓷(ci)(ci)基板(ban)(ban)），满足(zu)电(dian)(dian)子器件气密封装要求，广泛(fan)应用(yong)于(yu)航空航天等(deng)环境恶劣(lie)及光通信(xin)等(deng)可(ke)靠性要求较高的(de)(de)领域。

三、厚膜陶瓷基板(ban)

相对于高温(wen)共(gong)烧多层陶瓷(ci)基(ji)(ji)板(ban)(ban)和(he)低温(wen)共(gong)烧陶瓷(ci)基(ji)(ji)板(ban)(ban)，厚膜陶瓷(ci)基(ji)(ji)板(ban)(ban)为后烧陶瓷(ci)基(ji)(ji)板(ban)(ban)。其制备工(gong)艺是：采(cai)用丝(si)网印刷技术(shu)将金属浆料(liao)涂覆在陶瓷基片表面，经过干燥(zao)、高温烧结（700~800℃）后制备。金属浆料一般由金属粉末（Ag-Pd或Ag-Pt）、有机树脂和玻璃粉等组成。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，厚膜陶瓷基板在对图形精度要求不高的电子封装中得到一定应用。

图3 厚膜陶瓷基板样品

四、直接键合铜陶瓷基板

直接键合铜陶瓷基板是(shi)由(you)陶瓷基片（Al₂O₃或(huo)AlN）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(fu)合体的(de)(de)膨胀，使直接键合铜陶瓷基板具有近似氧(yang)化铝的(de)(de)热(re)膨胀系数。

直接键合铜陶瓷基板优点是：导(dao)热性好、绝(jue)缘(yuan)性强、可靠性高等，已广泛应(ying)用于绝(jue)缘(yuan)栅(zha)双(shuang)极型晶体管（IGBT）、半导体激光器（LD）和CPV封装。特别是由于铜箔较厚（100~600μm），在IGBT和LD封装领域优势明显。

其缺(que)点在于：1）直接键合铜陶瓷基板制备利用了高温下Cu与Al₂O₃间(jian)的(de)共晶反(fan)应，对设备(bei)和工艺控(kong)制要求较高(gao)，基板成本较高(gao)。2）由于Al₂O₃与Cu层间容易产生微气孔，降低了产品抗热冲击性。3）由于铜箔在高温下容易翘曲变形，因此直接键合铜陶瓷基板表面铜箔厚度一般大于100μm；同时由于采用化学腐蚀工艺，直接键合铜陶瓷基板图形的最小线宽一般大于100μm。

图4 直接键合铜陶瓷基板制备工艺流程

五(wu)、直(zhi)接镀铜(tong)陶(tao)瓷基板

直接镀铜(tong)陶(tao)(tao)瓷基(ji)板制备(bei)工艺是：首先将陶(tao)(tao)瓷基(ji)片进行(xing)前处理(li)清洗，利用(yong)真空溅射方式在(zai)基(ji)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。

直接(jie)镀铜陶瓷基板优(you)点：1）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。2）采用薄膜与光刻显影技术，使基板上的金属线路更加精细（线宽尺寸20~30μm，表面平整度低于0.3μm，线路对准精度误差小于±1%），因此直接镀铜陶瓷基板非常适合对准精度要求较高的电子器件封装。特别是采用激光打孔与通孔填铜技术后（实现陶瓷基板上下表面互联），可实现电子器件三维封装，降低器件体积，提高封装集成度。

直接镀铜陶(tao)瓷基(ji)板缺点(dian)：1）电镀沉积铜层厚度有限，且电镀废液污染大。2）金属层与陶瓷间的结合强度较低，产品应用时可靠性较低。

图5 氧化铝多层基板应用例

在实际(ji)生产时(shi)，对于陶瓷(ci)基板(ban)材料为了降低基板(ban)翘曲，一般(ban)采用(yong)三明治结构（陶瓷(ci)基片上下面(mian)同(tong)时(shi)制作金(jin)(jin)属(shu)层(ceng)）。正面(mian)金(jin)(jin)属(shu)层(ceng)用(yong)于贴装芯(xin)片，反面(mian)则用(yong)于平衡(heng)应力(li)（由(you)于金(jin)(jin)属(shu)与陶瓷(ci)热(re)膨胀系数不匹配而产生），同(tong)时(shi)易于与下部的金(jin)(jin)属(shu)热(re)沉焊接。

参考文献：

1、程浩，陈明(ming)祥，郝自亮，刘松坡，功率电(dian)(dian)子(zi)封(feng)装(zhuang)用陶瓷基(ji)板技术与应用进展，电(dian)(dian)子(zi)元(yuan)件与材(cai)料。

2、崔嵩(song)，黄岸兵，张(zhang)浩，MCM用氮化铝共烧多层陶瓷基板(ban)的研(yan)究，电子元件(jian)与材料。

3、龙(long)乐(le)，低(di)温(wen)共烧(shao)陶(tao)瓷基板及其封装(zhuang)应(ying)用，电子与(yu)封装(zhuang)。

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