陶瓷基板是电子封装的绝佳选择

日期：2021-07-30 浏览次数：次

以碳化硅（SiC）和氮化(hua)镓（GaN）为代表(biao)的第三代半(ban)导(dao)(dao)体(ti)(ti)材料，是固态(tai)光(guang)源（如LED）、激光(guang)器(qi)（LD）、电力电子（如IGBT）、聚光(guang)光(guang)伏（CPV）、微波(bo)射频(pin)（RF）等器(qi)件(jian)的“核(he)芯(xin)”，在半(ban)导(dao)(dao)体(ti)(ti)照(zhao)明、汽(qi)车电子、新(xin)一代移动(dong)通信(xin)（5G）、新(xin)能源与(yu)新(xin)能源汽(qi)车、高速轨道交通、消费类电子等领(ling)域具有(you)广(guang)阔的应用前(qian)景，有(you)望(wang)突破传统半(ban)导(dao)(dao)体(ti)(ti)技术(shu)瓶颈(jing)，与(yu)第一代、第二(er)代半(ban)导(dao)(dao)体(ti)(ti)技术(shu)互补，在光(guang)电器(qi)件(jian)、电力电子、汽(qi)车电子、航空航天、深井(jing)钻探等领(ling)域具有(you)重要(yao)(yao)应用价值，对节能减排、产业转型(xing)升级、催生新(xin)经济增长(zhang)点将发挥重要(yao)(yao)作(zuo)用。然而，半(ban)导(dao)(dao)体(ti)(ti)器(qi)件(jian)的不断(duan)发展(zhan)，带来的是对电子封装技术(shu)的更高要(yao)(yao)求。

●电子封装的作用(yong)●

电(dian)(dian)(dian)(dian)子封(feng)装(zhuang)是(shi)一种将半(ban)导体(ti)集(ji)成电(dian)(dian)(dian)(dian)路用绝缘材(cai)料打包的(de)技术，我(wo)们(men)常见的(de)半(ban)导体(ti)器件(jian)都(dou)是(shi)经过电(dian)(dian)(dian)(dian)子封(feng)装(zhuang)后(hou)的(de)产物(wu)，电(dian)(dian)(dian)(dian)子封(feng)装(zhuang)对于(yu)芯片(pian)来说是(shi)至关重要的(de)，那么电(dian)(dian)(dian)(dian)子封(feng)装(zhuang)又起到(dao)了(le)那些作用呢，让(rang)我(wo)们(men)接着(zhe)往下看(kan)。

（1）为(wei)芯片和电子元件提供机械支撑和环境保护；

（2）引出芯(xin)片正、负极(ji)，实现电互联和信(xin)号传输；

（3）提(ti)供快速散热通道(dao)，避免局部(bu)温度过高；

（4）有(you)助于器件(jian)光、电、热(re)、集成及可靠性等性能提高。

●陶瓷基板的(de)优势●

电子(zi)封(feng)装(zhuang)材(cai)料(liao)主要(yao)包括基板(ban)、布线、框架、层间介质和密封(feng)材(cai)料(liao)。其中(zhong)，电子(zi)封(feng)装(zhuang)用基板(ban)材(cai)料(liao)要(yao)求具有(you)低成本(ben)、易加工、高导热性(xing)与(yu)绝缘等特性(xing)。常(chang)用基板(ban)材(cai)料(liao)包括有(you)塑料(liao)、金属和陶瓷等。塑料(liao)基板(ban)材(cai)料(liao)具有(you)价格(ge)低廉(lian)，工艺成熟以及易(yi)加工等(deng)特性(xing)，但(dan)其(qi)导热性导电性差，热膨胀(zhang)系数与器件(jian)匹(pi)配度(du)低，难以(yi)满足中(zhong)高端封(feng)装需求(qiu)。金属基(ji)板材料虽(sui)导热率高，但热膨(peng)胀系数难(nan)以(yi)与封装器件(jian)匹配，且价格较高，不宜广泛(fan)使用。陶(tao)瓷凭借其(qi)极(ji)好的耐高温、耐腐蚀、热导率高、机(ji)械强度高、热膨(peng)胀系数与芯(xin)片相匹配及不易(yi)劣化等(deng)特性成为大(da)功率、高(gao)密(mi)度、高(gao)温(wen)及高(gao)频器件封装的首选。

●陶(tao)瓷基板制备技术●

现(xian)在技术较(jiao)为成熟的陶(tao)瓷基(ji)(ji)板有：厚(hou)膜陶(tao)瓷基(ji)(ji)板（TPC）、直接(jie)键(jian)合覆(fu)铜陶(tao)(tao)瓷基(ji)板(ban)（DBC）、直接(jie)电镀(du)铜陶(tao)(tao)瓷基(ji)板(ban)（DPC）、高温共烧陶(tao)(tao)瓷基(ji)板(ban)（HTCC）和(he)低温共烧陶(tao)(tao)瓷基(ji)板(ban)（LTCC）等(deng)，接(jie)下来就让我们(men)(men)来更深(shen)入的了(le)解他们(men)(men)。

（一(yi)）厚膜印刷陶瓷基板（TPC）

厚膜印刷陶瓷基板（TPC）通过(guo)丝网(wang)(wang)印刷将(jiang)金属浆料涂覆在陶瓷基片上，干燥(zao)后经高温烧结（温度一(yi)般(ban)(ban)在850-900℃）完成基板制备(bei)。根据金属浆料粘度和丝网(wang)(wang)网(wang)(wang)孔(kong)尺寸不同，制备(bei)的(de)金属线路(lu)层厚(hou)度一(yi)般(ban)(ban)为10-20μm（提高金属层厚(hou)度可通过(guo)多次(ci)丝网(wang)(wang)印刷实现）。TPC基板制备(bei)工艺(yi)简(jian)单，对加工设备(bei)和环境(jing)要求低，具有(you)生产效率高、制造(zao)成本低等优点(dian)。但(dan)是，由于丝网印刷工(gong)艺限制，TPC基板无(wu)法获得高精(jing)度线路（最(zui)小线(xian)宽/线(xian)距一般大(da)于100μm）。此外(wai)，为了(le)降低烧(shao)结温(wen)度(du)，提(ti)高金属(shu)(shu)层与陶瓷基(ji)片结合强度(du)，通常在金属(shu)(shu)浆料中添加少量玻璃相，这将降(jiang)低金属层电导率和(he)热导率。因此TPC基板仅在(zai)对线路精度要(yao)求不高(gao)的电子器件（如汽车电子）封(feng)装中得到应用。

厚膜(mo)印刷(shua)陶瓷基板（TPC）产品及(ji)其截(jie)面图

（二）直接(jie)键合覆(fu)铜陶瓷(ci)基板（DBC）

DBC陶瓷(ci)(ci)(ci)基板制备首先(xian)在铜(tong)(tong)(tong)(tong)箔（Cu）和(he)(he)陶瓷(ci)(ci)(ci)基片（Al2O3或(huo)AlN）间(jian)引(yin)入氧元素，然后在1065℃形成Cu/O共晶(jing)晶(jing)相（金属铜(tong)(tong)(tong)(tong)熔点为1083℃）。进而与陶瓷(ci)(ci)(ci)基片和(he)(he)和(he)(he)铜(tong)(tong)(tong)(tong)箔发生(sheng)反应生(sheng)成CuAlO2或(huo)Cu（AlO2）2，实现(xian)铜(tong)(tong)(tong)(tong)箔与陶瓷(ci)(ci)(ci)间(jian)共晶(jing)键合。由(you)于陶瓷(ci)(ci)(ci)和(he)(he)和(he)(he)铜(tong)(tong)(tong)(tong)具有良好的导热性(xing)，且铜(tong)(tong)(tong)(tong)箔与陶瓷(ci)(ci)(ci)间(jian)共晶(jing)键合强度高(gao)，因(yin)此DBC基板具有较高的热稳定(ding)性，已(yi)广泛应用于绝(jue)缘(yuan)栅双(shuang)极(ji)晶体管(guan)（IGBT）、激光器（LD）和聚光光伏（CPV）等器件封装散热中。虽然DBC基板在(zai)在(zai)实际应用(yong)中有(you)诸多优势，但在(zai)制(zhi)备(bei)过程中要严格控(kong)制(zhi)共晶温度及氧含量，对(dui)设备和工艺控制要求较(jiao)高，生产(chan)成本(ben)也较(jiao)高。此外，由(you)于厚铜刻蚀限制，无法制备出高(gao)精度线路层。

直(zhi)接键(jian)合(he)覆铜陶瓷基板（DBC）产品图(tu)

（三）直(zhi)接电镀(du)陶瓷基板(ban)（DPC）

DPC陶(tao)瓷基(ji)板(ban)制备工(gong)艺如(ru)下：首(shou)先利用(yong)(yong)激光在(zai)陶(tao)瓷基(ji)片(pian)上(shang)制备通孔(kong)（孔(kong)径一般为60-120μm），随后(hou)利用(yong)(yong)超(chao)声(sheng)波清(qing)洗陶(tao)瓷基(ji)片(pian)；采(cai)用(yong)(yong)磁(ci)控溅射技术在(zai)陶(tao)瓷基(ji)片(pian)表(biao)面沉积金属种子层(ceng)(ceng)（Ti/Cu），接着通过(guo)光刻、显影完成线路(lu)层(ceng)(ceng)制作；采(cai)用(yong)(yong)电(dian)镀填孔(kong)和增(zeng)厚金属线路(lu)层(ceng)(ceng)，并通过(guo)表(biao)面处(chu)理(li)提(ti)高基(ji)板(ban)可焊性(xing)与(yu)抗氧化(hua)性(xing)，最后(hou)去(qu)干膜(mo)、刻蚀(shi)种子层(ceng)(ceng)完成基(ji)板(ban)制备。

具(ju)体特点包括(kuo)：

（1）采用半导体(ti)微加工技(ji)术，陶瓷基(ji)板上金属线(xian)路更加精细(xi)（线(xian)宽/线(xian)距可低(di)至30-50μm，与线(xian)路层厚度相关）；

（2）采(cai)用激光打孔与(yu)电(dian)镀填孔技术，实现了陶瓷基板上/下表面(mian)垂直互(hu)联，可实现电(dian)子器件三维封(feng)装与(yu)集成(cheng)，降低器件体(ti)积(ji)；

（3）采用电镀生长控制线路层厚(hou)度（一般为10-100μm），并通过研磨降低线路层表面粗糙度；

（4）低温(wen)制(zhi)备工艺（300℃以下）避免了(le)高温(wen)对(dui)基片材料和金属(shu)线路层的不利(li)影响，同(tong)时也降低了(le)生产成本。目前DPC陶瓷基板主要应用于大功率LED封装。

陶瓷基板是电子封装的绝佳选择

直接(jie)电(dian)镀陶瓷(ci)基(ji)板（DPC）产品及其截(jie)面(mian)图

（四）高温共烧陶瓷(ci)（HTCC）

高温(wen)共(gong)烧陶瓷(ci)基(ji)板（HTCC）制(zhi)备(bei)过(guo)程如下：首(shou)先(xian)将(jiang)(jiang)陶(tao)瓷(ci)(ci)粉末（Al2O3或(huo)AlN）加入有(you)机黏(nian)结剂，混合均匀后(hou)成(cheng)(cheng)为膏状陶(tao)瓷(ci)(ci)浆料(liao)，接着利用(yong)刮(gua)刀将(jiang)(jiang)陶(tao)瓷(ci)(ci)浆料(liao)刮(gua)成(cheng)(cheng)片(pian)状，再(zai)通过(guo)干燥工艺使片(pian)状浆料(liao)形成(cheng)(cheng)生胚；然后(hou)根据线路(lu)层(ceng)(ceng)设计钻导通孔，采用(yong)丝网(wang)印刷金属浆料(liao)进行布(bu)线和(he)填孔，最后(hou)将(jiang)(jiang)各生胚层(ceng)(ceng)叠加，置于高(gao)温(wen)(wen)炉中(zhong)烧结而(er)成(cheng)(cheng)。高(gao)温(wen)(wen)共烧陶(tao)瓷(ci)(ci)基板烧结温(wen)(wen)度较(jiao)高(gao)，具(ju)有(you)机(ji)械强度(du)高、热导(dao)率(lv)高、化(hua)学性质稳定及(ji)布线密度(du)高等优点。高(gao)(gao)温烧结陶瓷(ci)的金(jin)属(shu)化材(cai)料一般以熔点高(gao)(gao)的金(jin)属(shu)W、Mo和(he)Mn等为主(zhu)，然而这类金属有(you)导电性较差的缺点，需要在该(gai)金属表(biao)面(mian)镀Ni和(he)Au来降低传输(shu)损(sun)耗以及(ji)起到(dao)保护(hu)电路(lu)的作用，这就使得其制作成本较(jiao)高。此(ci)外(wai)，受(shou)到丝网印刷工(gong)艺(yi)限制，HTCC基板线路精度较差，难以满足高(gao)精度封装需求(qiu)。

高温(wen)共烧陶瓷基板产品图

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（五）低温共烧陶瓷(ci)基板(ban)（LTCC）

低(di)温共烧陶瓷基板（LTCC）的制备工艺与(yu)(yu)高(gao)(gao)温(wen)共烧(shao)陶(tao)瓷(ci)(ci)基(ji)板(ban)类似，只是(shi)(shi)低(di)温(wen)高(gao)(gao)烧(shao)陶(tao)瓷(ci)(ci)基(ji)板(ban)制备时(shi)在陶(tao)瓷(ci)(ci)浆料(liao)(liao)中(zhong)加入了一定量玻璃粉来降低(di)烧(shao)结温(wen)度(du)(du)，同时(shi)使用(yong)导电性良好的Cu、Ag和(he)Au等制备金属(shu)(shu)浆料(liao)(liao)。LTCC技(ji)术既(ji)通(tong)过(guo)采用(yong)特(te)殊材(cai)料(liao)(liao)体系，降低(di)了烧(shao)结温(wen)度(du)(du)，从而可以和(he)低(di)熔点(dian)(dian)高(gao)(gao)电导率(lv)金属(shu)(shu)实现(xian)(xian)共烧(shao)，又实现(xian)(xian)了多层(ceng)烧(shao)结，提高(gao)(gao)了元器件集成度(du)(du)与(yu)(yu)封装密度(du)(du)，从而集合了厚膜技(ji)术和(he)HTCC技(ji)术的优(you)点(dian)(dian)，并有(you)效克(ke)服了他们的缺点(dian)(dian)。但是(shi)(shi)，收缩率一致性低(di)和散热性能较差是LTCC基(ji)板(ban)的性能短板(ban)。

LTCC技(ji)术的(de)主要(yao)优点如下：

（1）LTCC基板陶瓷材料(liao)性能优异，介(jie)电常(chang)数较小，具(ju)有(you)优良的高(gao)频特性和高(gao)品质(zhi)因(yin)数（Q）特性，使用频率可高(gao)达100 GHz甚至更高(gao)；

（2）金、银等具(ju)有高(gao)电导(dao)率的(de)导(dao)体材(cai)料(liao)性(xing)能优(you)(you)异，能够满足(zu)大电流和(he)高(gao)温特(te)性(xing)的(de)需求，从(cong)而可以提高(gao)系统(tong)的(de)品质因数，且基板导(dao)热性(xing)能优(you)(you)于传(chuan)统(tong)的(de)印刷电路板材(cai)料(liao)；

（3）LTCC基板(ban)中可埋入(ru)无源(yuan)元(yuan)件等(deng)，显著提(ti)升电(dian)路(lu)和系统(tong)的组装密度；

（4）LTCC叠层(ceng)层(ceng)数高达上(shang)百层(ceng)，可精细布(bu)线(xian)至50μm线(xian)宽或线(xian)间距；

（5）温(wen)度特性良好，热膨(peng)胀系(xi)数（CTE）较小(xiao)，共振频率温(wen)度系(xi)数（Tf）较小(xiao)；

（6）LTCC生(sheng)产(chan)工(gong)艺属于非连续(xu)生(sheng)产(chan)，特定的(de)检查工(gong)序(xu)可(ke)以提高产(chan)品成品率，同时降(jiang)低成本。

陶瓷基板是电子封装的绝佳选择

低温(wen)共(gong)烧陶瓷基板产品图

下表是(shi)对常见陶瓷(ci)基板(ban)部(bu)分(fen)性能的简(jian)要总结：

常见(jian)陶瓷基(ji)板综合性(xing)能(neng)对比(bi)表(biao)

●总结●

随着半(ban)导体(ti)技(ji)术不(bu)断发展，功(gong)率器件也将逐(zhu)渐向(xiang)大功(gong)率、小(xiao)型化(hua)、集(ji)成化(hua)、多功(gong)能等方向(xiang)发展,对电(dian)(dian)子(zi)封(feng)装(zhuang)的要求也越来越高。而陶瓷基(ji)(ji)板具有(you)高导热(re)、高耐(nai)热(re)、高绝缘、高强(qiang)度、低热(re)胀、耐(nai)腐蚀及抗辐射等(deng)特点，其(qi)应用前景广阔符合半导体行业对电(dian)(dian)子(zi)封(feng)装(zhuang)的要求。因此需要加强(qiang)陶瓷基(ji)(ji)板核心技(ji)术研(yan)发(包括陶瓷粉(fen)料、基(ji)(ji)片及基(ji)(ji)板制备(bei)技(ji)术等(deng))，满足国内飞速发展的市场需求。

参考来源：

电子封装陶瓷基板，程浩，陈明祥，罗小(xiao)兵，彭洋，刘松坡。

无机胶(jiao)粘接制备三维陶瓷基板技术研究，黄(huang)炎(yan)琴。

电子封(feng)装用陶瓷基片材(cai)料(liao)的研(yan)究进展(zhan)，张兆生(sheng)，卢振亚，陈志武。

陶瓷基板研究现状及新进展，陆琪，刘英(ying)坤，乔志壮(zhuang)，刘林杰，高(gao)岭。

低(di)温共烧(shao)陶瓷材料的研(yan)究(jiu)进展，张晓辉，郑欣。