电子封装用陶瓷基板材料的种类介绍

前言

随着微电子封装产业的蓬勃发展，电子封装技术走向小型化、高密度、多功率和高可靠性的方向发展，电子封装材料也逐渐成为一个高技术含量、高经济效益的，具有重要地位的工业领域。目前常用的基板材料主要有塑料基板、金属基板、陶瓷基板和复合基板四大类。先进陶瓷材料制成的超薄复合基板更是具有优良的电绝缘性能，高导热特性，优异的软钎焊性和附着强度，并且可以像PCB板一样能刻蚀出各种图形，具有很大的载流能力。目前，陶瓷基板已成为大功率电力电子电路结构技术和互连技术的基础材料。本文就陶瓷基板的种类进行简略介绍。

图1.陶瓷基板via网络

1 按材料不同分：

常用的陶瓷材料及其性能如表1所示：

表1 常用陶瓷材料性能

氧化铝和氮化铝是两种常用的基片材料。其中，氧化铝基片纯度一般为96%以上（纯度越高，性能越好，但成本也高）；氮化铝的最大特点是热膨胀系数（CTE）与半导体硅（Si）相当，且热导率高，但成本很高。

目前，研究应用最成熟的陶瓷基片材料是Al2O3基片，它具有良好的电气性能和力学性能。

2 按结构及制作工艺分：

1）HTCC：高温共烧多层陶瓷基板

制作过程：

①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；

②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；

③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；

④最后将各生坯层叠加，置于高温炉（1600℃）中烧结而成。

2）LTCC：低温共烧陶瓷基板

制作过程：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比较好的金、银作为电极和布线材料。

此外，由于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。

3）TFC：厚膜陶瓷基板（Thick Film Ceramic）

制作过程：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（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，由于玻璃质粘合剂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0.3㎜。

4）DBC：直接键合铜陶瓷基板（Direct Bonded Copper）

制作过程：利用陶瓷基片（Al2O3或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。

优点：

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，因此，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。特别是由于铜箔较厚（100~600μm），在IGBT和LD封装领域优势明显。

缺点：

①DBC制备利用了高温下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；

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DBC表面铜箔厚度一般大于100μm；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100μm。

5）DPC：直接镀铜陶瓷基板（Direct Plated Copper）

制作过程：

①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；

②接着以光刻、显影、刻蚀工艺完成线路制作；

③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。

优点：

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DPC基板非常适合对精准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。

不足：

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。

表2 几种常见陶瓷基板性能对比

注：*采用96.0%氧化铝陶瓷