LTCC制備工藝流程

許多微電子器件(如加速度計(jì)、陀螺儀、深紫外LED等)芯片對(duì)空氣、濕氣、灰塵等非常敏感。如LED芯片理論上可工作10萬(wàn)小時(shí)以上，但水汽侵蝕會(huì)大大縮短其壽命。為了提高這些微電子器件性能，必須將其芯片封裝在真空或保護(hù)氣體中，實(shí)現(xiàn)氣密封裝。因此，必須首先制備含腔體(圍壩)結(jié)構(gòu)的三維陶瓷基板，滿足封裝應(yīng)用需求。

三維陶瓷基板性能對(duì)比↓↓

目前，常見(jiàn)的三維陶瓷基板主要有：高/低溫共燒陶瓷基板(HTCC/LTCC)、多層燒結(jié)三維陶瓷基板(MSC)、直接粘接三維陶瓷基板(DAC)、多層鍍銅三維陶瓷基板(MPC)以及直接成型三維陶瓷基板(DMC)等。01高/低溫共燒陶瓷基板(HTCC/LTCC)

HTCC基板制備過(guò)程中先將陶瓷粉(Al2O3或AlN)加入有機(jī)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(guò)干燥工藝使片狀漿料形成生胚；然后根據(jù)線路層設(shè)計(jì)鉆導(dǎo)通孔，采用絲網(wǎng)印刷金屬漿料進(jìn)行布線和填孔，最后將各生胚層疊加，置于高溫爐(1600℃)中燒結(jié)而成。由于HTCC基板制備工藝溫度高，因此導(dǎo)電金屬選擇受限，只能采用熔點(diǎn)高但導(dǎo)電性較差的金屬(如W、Mo及Mn等)，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。但HTCC基板具有較高機(jī)械強(qiáng)度和熱導(dǎo)率[20W/(m·K)~200W/(m·K)]，物化性能穩(wěn)定，適合大功率及高溫環(huán)境下器件封裝。

為了降低HTCC制備工藝溫度，同時(shí)提高線路層導(dǎo)電性，業(yè)界開(kāi)發(fā)了LTCC基板。與HTCC制備工藝類似，只是LTCC制備在陶瓷漿料中加入了一定量玻璃粉來(lái)降低燒結(jié)溫度，同時(shí)使用導(dǎo)電性良好的Cu、Ag和Au等制備金屬漿料。LTCC基板制備溫度低，但生產(chǎn)效率高，可適應(yīng)高溫、高濕及大電流應(yīng)用要求，在軍工及航天電子器件中得到廣泛應(yīng)用。

LTCC制備工藝流程

雖然LTCC基板具有上述優(yōu)勢(shì)，但由于在陶瓷漿料中添加了玻璃粉，導(dǎo)致基板熱導(dǎo)率偏低[一般僅為3W/(m·K)~7W/(m·K)]。此外，與HTCC一樣，由于LTCC基板采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制作金屬線路，有可能因張網(wǎng)問(wèn)題造成對(duì)位誤差，導(dǎo)致金屬線路層精度低；而且多層陶瓷生胚疊壓燒結(jié)時(shí)還存在收縮比例差異問(wèn)題，影響成品率，一定程度上制約了LTCC基板技術(shù)發(fā)展。

02多層燒結(jié)三維陶瓷基板(MSC)

與HTCC/LTCC基板一次成型制備三維陶瓷基板不同，臺(tái)灣陽(yáng)升公司采用多次燒結(jié)法制備了MSC基板。首先制備厚膜印刷陶瓷基板(TPC)，隨后通過(guò)多次絲網(wǎng)印刷將陶瓷漿料印刷于平面TPC基板上，形成腔體結(jié)構(gòu)，再經(jīng)高溫?zé)Y(jié)得到MSC基板。

由于陶瓷漿料燒結(jié)溫度一般在800℃左右，因此要求下部的TPC基板線路層必須能耐受如此高溫，防止在燒結(jié)過(guò)程中出現(xiàn)脫層或氧化等缺陷。TPC基板線路層由金屬漿料高溫?zé)Y(jié)(一般溫度為850℃~900℃)制備，具有較好的耐高溫性能，適合后續(xù)采用燒結(jié)法制備陶瓷腔體。

MSC陶瓷基板制備工藝流程

MSC基板技術(shù)生產(chǎn)設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單，平面基板與腔體結(jié)構(gòu)獨(dú)立燒結(jié)成型，且由于腔體結(jié)構(gòu)與平面基板均為無(wú)機(jī)陶瓷材料，熱膨脹系數(shù)匹配，制備過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)脫層、翹曲等現(xiàn)象。其缺點(diǎn)在于，下部TPC基板線路層與上部腔體結(jié)構(gòu)均采用絲網(wǎng)印刷布線，圖形精度較低；同時(shí)，因受絲網(wǎng)印刷工藝限制，所制備的MSC基板腔體厚度有限。因此MSC三維基板僅適用于體積較小、精度要求不高的電子器件封裝。

03直接粘接三維陶瓷基板(DAC)

上述HTCC、LTCC及MSC基板線路層都采用絲網(wǎng)印刷制備，精度較低，難以滿足高精度、高集成度封裝要求，因此業(yè)界提出在高精度DPC陶瓷基板上成型腔體制備三維陶瓷基板。由于DPC基板金屬線路層在高溫(超過(guò)300℃)下會(huì)出現(xiàn)氧化、起泡甚至脫層等現(xiàn)象，因此基于DPC技術(shù)的三維陶瓷基板制備必須在低溫下進(jìn)行。

DAC三維陶瓷基板制備工藝流程

臺(tái)灣璦司柏公司(ICP)提出采用膠粘法制備三維陶瓷基板。首先加工金屬環(huán)和DPC陶瓷基板，然后采用有機(jī)粘膠將金屬環(huán)與DPC基板對(duì)準(zhǔn)后粘接、加熱固化。由于膠液流動(dòng)性好，涂膠工藝簡(jiǎn)單，成本低，易于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，且所有制備工藝均在低溫下進(jìn)行，不會(huì)對(duì)DPC基板線路層造成損傷。但由于有機(jī)粘膠耐熱性差，固化體與金屬、陶瓷間熱膨脹系數(shù)差較大，且為非氣密性材料，目前DAC陶瓷基板主要應(yīng)用于線路精度要求較高，但對(duì)耐熱性、氣密性、可靠性等要求較低的電子器件封裝。

為了解決上述不足，業(yè)界進(jìn)一步提出采用無(wú)機(jī)膠替代有機(jī)膠的粘接技術(shù)方案，大大提高了DAC三維陶瓷基板的耐熱性和可靠性。其技術(shù)關(guān)鍵是選用無(wú)機(jī)膠，要求其能在低溫(低于200℃)下固化；固化體耐熱性好(能長(zhǎng)期耐受300℃高溫)，與金屬、陶瓷材料粘接性好(剪切強(qiáng)度大于10MPa)，同時(shí)與金屬環(huán)(圍壩)和陶瓷基片材料熱膨脹系數(shù)匹配(降低界面熱應(yīng)力)。

04多層電鍍?nèi)S陶瓷基板(MPC)

MPC基板采用圖形電鍍工藝制備線路層，避免了HTCC/LTCC與TPC基板線路粗糙問(wèn)題，滿足高精度封裝要求。陶瓷基板與金屬圍壩一體化成型為密封腔體，結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)中間粘結(jié)層，氣密性高。

MPC陶瓷基板制備工藝流程

MPC基板整體為全無(wú)機(jī)材料，具有良好的耐熱性，抗腐蝕、抗輻射等。金屬圍壩結(jié)構(gòu)形狀可以任意設(shè)計(jì)，圍壩頂部可制備出定位臺(tái)階，便于放置玻璃透鏡或蓋板，目前已成功應(yīng)用于深紫外LED封裝和VCSEL激光器封裝，已部分取代LTCC基板。

其缺點(diǎn)在于：由于干膜厚度限制，制備過(guò)程需要反復(fù)進(jìn)行光刻、顯影、圖形電鍍與表面研磨，耗時(shí)長(zhǎng)(厚度為600μm圍壩需要電鍍10h以上)，生產(chǎn)成本高；此外，由于電鍍圍壩銅層較厚，內(nèi)部應(yīng)力大，MPC基板容易翹曲變形，影響后續(xù)的芯片封裝質(zhì)量與效率。

05直接成型三維陶瓷基板(DMC)

DMC基板的制備，首先制備平面DPC陶瓷基板，同時(shí)制備帶孔橡膠模具；將橡膠模具與DPC陶瓷基板對(duì)準(zhǔn)合模后，向模具腔內(nèi)填充犧牲模材料；待犧牲模材料固化后，取下橡膠模具，犧牲模粘接于DPC陶瓷基板上，并精確復(fù)制橡膠模具孔結(jié)構(gòu)特征，作為鋁硅酸鹽漿料成型模具；隨后將鋁硅酸鹽漿料涂覆于DPC陶瓷基板上并刮平，加熱固化，最后將犧牲模材料腐蝕，得到含鋁硅酸鹽免燒陶瓷圍壩的三維陶瓷基板。

DMC陶瓷基板制備工藝流程

鋁硅酸鹽漿料固化溫度低，對(duì)DPC陶瓷基板線路層影響極小，并與DPC基板制備工藝兼容。橡膠具有易加工、易脫模以及價(jià)格低廉等特點(diǎn)，能精確復(fù)制圍壩結(jié)構(gòu)(腔體)形狀與尺寸，保證圍壩加工精度。有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，腔體深度、直徑加工誤差均小于30μm，說(shuō)明該工藝制備的三維陶瓷基板精度高，重復(fù)性好，適合量產(chǎn)。鋁硅酸鹽漿料加熱后脫水縮合，主要產(chǎn)物為無(wú)機(jī)聚合物，其耐熱性好，熱膨脹系數(shù)與陶瓷基片匹配，具有良好的熱穩(wěn)定性；固化體與陶瓷、金屬粘接強(qiáng)度高，制備的三維陶瓷基板可靠性高。圍壩厚度(腔體高度)取決于模具厚度，理論上不受限制，可滿足不同結(jié)構(gòu)和尺寸的電子器件封裝要求。

審核編輯 ：李倩