電子封裝平面陶瓷基板的分類和工藝流程

陶瓷基板具有熱導率高、耐熱性好、機械強度高、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)勢,是功率半導體器件封裝常用的散熱材料。根據(jù)封裝結(jié)構(gòu)和應(yīng)用要求，陶瓷基板可分為平面陶瓷基板和三維陶瓷基板兩大類。根據(jù)制備原理與工藝不同，平面陶瓷基板又可分為薄膜陶瓷基板(TFC)、厚膜印刷陶瓷基板(TPC)、直接鍵合銅陶瓷基板(DBC)、直接敷鋁陶瓷基板(DBA)、活性金屬焊接陶瓷基板(AMB)、直接電鍍銅陶瓷基板(DPC)、直接濺射銅陶瓷基板(DSC)和激光活化金屬陶瓷基板(LAM)等。

01 薄膜陶瓷基板(TFC)

薄膜陶瓷基板一般采用濺射工藝直接在陶瓷基片表面沉積金屬層。如果輔助光刻、顯影、刻蝕等工藝，還可將金屬層圖形化制備成線路，由于濺射鍍膜沉積速度低(一般低于1μm/h)。因此TFC基板表面金屬層厚度較小(一般小于1μm)，可制備高圖形精度(線寬/線距小于10μm)陶瓷基板，主要應(yīng)用于激光與光通信領(lǐng)域小電流器件封裝。

02 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℃)制備TPC基板。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10μm～20μm(提高金屬層厚度可通過多次絲網(wǎng)印刷實現(xiàn))。

▲TPC基板制備工藝流程

TFC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，TFC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。

03 直接鍵合陶瓷基板(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共晶相(金屬銅熔點為1083℃)，進而與陶瓷基片和銅箔發(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)用于電子電力模塊(IGBT)、激光器(LD)、聚太陽能組件、半導體制冷器、LED器件等封裝散熱中。

▲DBC工藝流程

DBC基板銅箔厚度較大(一般為100μm～600μm)，可滿足高溫、大電流等極端環(huán)境下器件封裝應(yīng)用需求(為降低基板應(yīng)力與翹曲，一般采用Cu-Al2O3-Cu的三明治結(jié)構(gòu)，且上下銅層厚度相同)。雖然DBC基板在實際應(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。

在DBC基板制備過程中，氧化時間和氧化溫度是最重要的兩個參數(shù)。銅箔經(jīng)預(yù)氧化后，鍵合界面能形成足夠CuxOy相潤濕Al2O3陶瓷與銅箔，具有較高的結(jié)合強度；若銅箔未經(jīng)過預(yù)氧化處理，CuxOy潤濕性較差，鍵合界面會殘留大量空洞和缺陷，降低結(jié)合強度及熱導率。對于采用AlN陶瓷制備DBC基板，還需對陶瓷基片進行預(yù)氧化，先生成Al2O3薄膜，再與銅箔發(fā)生共晶反應(yīng)。

04 直接敷鋁陶瓷基板(DBA)

直接敷鋁陶瓷基板（DBA）是基于DBC工藝技術(shù)發(fā)展起來的新型金屬敷接陶瓷基板，是鋁與陶瓷層鍵合而形成的基板，其結(jié)構(gòu)與DBC相似，也可以像PCB基板一樣蝕刻出各式各樣的圖形。

▲傳統(tǒng)敷鋁陶瓷基方法：a)液相敷接法，b)金屬過渡法

敷鋁基板技術(shù)有液鋁敷接法和金屬過渡法。金屬鋁在空氣中極易氧化，在鋁液表面生成一層致密的氧化鋁膜，大大降低了鋁液與陶瓷的潤濕性，影響陶瓷基板敷鋁過程及敷接強度，因此改善鋁與陶瓷的潤濕性是制備DBA陶瓷基板的必要條件?？赏ㄟ^去除鋁表面氧化層，或采用一定的措施隔絕氧氣，通過在陶瓷表面形成一層金屬過渡層，通過Al-金屬共晶液相，解決鋁與陶瓷界面潤濕性不佳的問題。

通過DBA技術(shù)可以提高整個系統(tǒng)的散熱效率、可靠性和節(jié)省成本。DBA直接敷鋁基板將在高壓輸變電、智能電網(wǎng)、儲能系統(tǒng)、超級充電站、軌交等半導體器件、高壓光伏發(fā)電等應(yīng)用領(lǐng)域極具市場前景。

05 活性金屬焊接陶瓷基板(AMB)

AMB陶瓷基板利用含少量活性元素的活性金屬焊料實現(xiàn)銅箔與陶瓷基片間的焊接。活性焊料通過在普通金屬焊料中添加Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta等稀土元素制備，由于稀土元素具有高活性，可提高焊料熔化后對陶瓷的潤濕性，使陶瓷表面無需金屬化就可與金屬實現(xiàn)焊接。

▲AMB工藝流程

AMB基板制備技術(shù)是DBC基板工藝的改進(DBC基板制備中銅箔與陶瓷在高溫下直接鍵合，而AMB基板采用活性焊料實現(xiàn)銅箔與陶瓷基片間鍵合)，通過選用活性焊料可降低鍵合溫度(低于800℃)，進而降低陶瓷基板內(nèi)部熱應(yīng)力。此外，AMB基板依靠活性焊料與陶瓷發(fā)生化學反應(yīng)實現(xiàn)鍵合，因此結(jié)合強度高，可靠性好。

由于氮化硅Si3N4與銅之間不會形成Cu-Si-O化合物，無法使用DBC工藝，AMB工藝實現(xiàn)了氮化硅與銅的結(jié)合，在第三代半導體碳化硅功率器件和高導熱性、高可靠性、高功率等要求的IGBT模塊等方面極具潛力。

06 直接電鍍陶瓷基板(DPC)

DPC陶瓷基板的制備，首先利用激光在陶瓷基片上制備通孔（孔徑一般為60μm~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靶材），接著通過光刻、顯影完成線路層制作；采用電鍍填空和增厚金屬線路層，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。

▲DPC工藝流程

DPC陶瓷基板制備前端采用了半導體微加工技術(shù)（濺射鍍膜、光刻、顯影等），后端則采用了印刷線路板（PCB）制備技術(shù)（圖形電鍍、填孔、表面研磨、刻蝕、表面處理等），因此具有圖形精度高、可垂直互連、生產(chǎn)成本低等技術(shù)優(yōu)勢，可普遍應(yīng)用于大功率LED照明、汽車大燈等大功率LED領(lǐng)域、半導體激光器、電力電子功率器件、微波、光通訊、VCSEL、射頻器件等應(yīng)用領(lǐng)域，市場空間很大。

07 直接濺射陶瓷基板(DSC)

DSC（Direct Sputtering Ceramic）技術(shù)是指使用高離化、高沉積效率的新型持續(xù)高功率磁控濺射技術(shù)（C-HPMS）直接在陶瓷基板表面沉積一定厚度的金屬導電層的新型金屬化工藝。

采用高離化率磁控濺射技術(shù)在陶瓷基板表面沉積金屬過渡層，采用持續(xù)高功率磁控濺射技術(shù)在金屬過渡層表面沉積金屬導電層，使用真空鍍膜技術(shù)在金屬導電層表面沉積表面功能層和/或表面保護層。相對DPC技術(shù)，采用DSC技術(shù)制備陶瓷封裝基板具有以下技術(shù)優(yōu)勢：

●?采用DSC技術(shù)制備的金屬導電層與陶瓷基板之間結(jié)合強度大幅度提高；

●?金屬導電層表面平滑、組織結(jié)構(gòu)致密，導電性好；

●?全真空加工環(huán)境、綠色環(huán)保、生產(chǎn)效率高。

08 激光活化金屬陶瓷基板(LAM)

LAM基板制備利用特定波長的激光束選擇性加熱活化陶瓷基片表面，隨后通過電鍍/化學鍍完成線路層制備。

▲(a)LAM基板工藝流程;(b)LAM基板加工示意圖;(c)LAM基板產(chǎn)品

其技術(shù)優(yōu)勢包括：

●?無需采用光刻、顯影、刻蝕等微加工工藝,通過激光直寫制備線路層，且線寬由激光光斑決定,精度高(可低至10μm～20μm)；

●?可在三維結(jié)構(gòu)陶瓷表面制備線路層，突破了傳統(tǒng)平面陶瓷基板金屬化的限制；

●?金屬層與陶瓷基片結(jié)合強度高，線路層表面平整，粗糙度在納米級別。從上可以看出，雖然LAM技術(shù)可在平面陶瓷基板或立體陶瓷結(jié)構(gòu)上加工線路層，但其線路層由激光束“畫”出來，難以大批量生產(chǎn)，導致價格極高，目前主要應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域異型陶瓷散熱件加工。

編輯：黃飛

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