三維陶瓷基板制備技術(shù)-高低溫共燒陶瓷基板

許多微電子器件 (如加速度計(jì)、陀螺儀、深紫外 LED 等) 芯片對空氣、濕氣、灰塵等非常敏感。如 LED 芯片理論上可工作 10 萬小時(shí)以上，但水汽侵蝕會大大縮短其壽命 (甚至降低至幾千小時(shí))。

為了提高這些微電子器件性能 (特別是可靠性)，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 (芯片置于密閉腔體中，與外界氧氣、濕氣、灰塵等隔絕)。因此，必須首先制備含腔體 (圍壩)結(jié)構(gòu)的三維基板，滿足封裝應(yīng)用需求。

目前，常見的三維陶瓷基板主要有：高/低溫共燒陶瓷基板(High/Low Temperature Co-fired Ceramic Substrate， HTCC/LTCC) 、多 層 燒 結(jié) 三 維 陶 瓷 基 板 (MultilayerSintering Ceramic Substrate，MSC)、直接粘接三維陶瓷基板 (Direct Adhere Ceramic Substrate，DAC)、多層鍍銅三維陶瓷基板(Multilayer Plated Ceramic Substrate，MPC) 以及直接成型三維陶瓷基板(Direct Molding Ceramic Substrate，DMC) 等。

高/低溫共燒陶瓷基板 (HTCC/LTCC)

HTCC 基板制備過程中先將陶瓷粉 (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°C) 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 [20 W/(m·K) ~ 200 W/(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。將 HTCC 工藝應(yīng)用于微型蒸汽推進(jìn)器，制備的微型加熱器比硅基推進(jìn)器效率更高，能耗降低 21%以上。

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。選用CaO-BaO-Al2O3-B2O3-SiO2/AlN 體系原料，當(dāng) AlN 組分含量為 40% 時(shí)，研制的 LTCC 基板熱導(dǎo)率為 5.9W/(m·K)，介電常數(shù)為 6.3，介電損耗為 4.9 × 10?3，彎曲強(qiáng)度高達(dá) 178 MPa。Qing 等人采用Li2O-Al2O3-SiO2/Al2O3 體系原料，制備的 LTCC 基板抗彎強(qiáng)度為 155 MPa，介電損耗為 2.49 × 10?3。

雖然 LTCC 基板具有上述優(yōu)勢，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 3 W/(m·K) ~ 7 W/(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)問題造成對位誤差，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題，影響成品率，一定程度上制約了 LTCC 基板技術(shù)發(fā)展。經(jīng)過表面處理將 LTCC 基板翹曲由 150 μm ~ 250 μm 降低至 80 μm ~ 110 μm；通過改進(jìn) LTCC基板封裝形式，去掉芯片與金屬基底間絕緣層，模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示其熱阻降低為 7.3 W/(m·K)，滿足大功率 LED 封裝需求。lw