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電子封裝用陶瓷基板材料及其制備工藝 先進陶瓷材料 8月31日

發布時間:2021-08-20 17:32:23

中國陶瓷CMF設計研究應用平臺

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陶瓷基板由于其良好的導熱性、耐熱性、絕緣性、低熱膨脹系數和成本的不斷降低,在電子封裝特別是功率電子器件如IGBT(絕緣柵雙極晶體管)、LD(激光二極管)、大功率LED(發光二極管)、CPV(聚焦型光伏)封裝中的應用越來越廣泛。


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陶瓷基片主要包括氧化鈹(BeO)、氧化鋁(Al2O3)和氮化鋁(AlN)、氮化硅(Si3N4)。與其他陶瓷材料相比,Si3N4陶瓷基片具有很高的電絕緣性能和化學穩定性,熱穩定性好,機械強度大,可用于制造高集成度大規模集成電路板。



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幾種陶瓷基片材料性能比較



從結構與制造工藝而言,陶瓷基板又可分為HTCC、LTCC、TFC、DBC、DPC等。


高溫共燒多層陶瓷基板(HTCC)

HTCC,又稱高溫共燒多層陶瓷基板。制備過程中先將陶瓷粉(Al2O3或AlN)加入有機黏結劑,混合均勻后成為膏狀漿料,接著利用刮刀將漿料刮成片狀,再通過干燥工藝使片狀漿料形成生坯;然后依據各層的設計鉆導通孔,采用絲網印刷金屬漿料進行布線和填孔,最后將各生坯層疊加,置于高溫爐(1600℃)中燒結而成。


此制備過程因為燒結溫度較高,導致金屬導體材料的選擇受限(主要為熔點較高但導電性較差的鎢、鉬、錳等金屬),制作成本高,熱導率一般在20~200W/(m·℃)。


低溫共燒陶瓷基板(LTCC)

LTCC,又稱低溫共燒陶瓷基板,其制備工藝與HTCC類似,只是在Al2O3粉中混入質量分數30%~50%的低熔點玻璃料,使燒結溫度降低至850~900℃,因此可以采用導電率較好的金、銀作為電極材料和布線材料。


因為LTCC采用絲網印刷技術制作金屬線路,有可能因張網問題造成對位誤差;而且多層陶瓷疊壓燒結時還存在收縮比例差異問題,影響成品率。為了提高LTCC導熱性能,可在貼片區增加導熱孔或導電孔,但成本增加。


厚膜陶瓷基板(TFC)

相對于LTCC和HTCC,TFC為一種后燒陶瓷基板。采用絲網印刷技術將金屬漿料涂覆在陶瓷基片表面,經過干燥、高溫燒結(700~800℃)后制備。金屬漿料一般由金屬粉末、有機樹脂和玻璃等組分。經高溫燒結,樹脂粘合劑被燃燒掉,剩下的幾乎都是純金屬,由于玻璃質粘合作用在陶瓷基板表面。燒結后的金屬層厚度為10~20μm,最小線寬為0.3mm。


由于技術成熟,工藝簡單,成本較低,TFC在對圖形精度要求不高的電子封裝中得到一定應用。


直接鍵合銅陶瓷基板(DBC)

由陶瓷基片與銅箔在高溫下(1065℃)共晶燒結而成,最后根據布線要求,以刻蝕方式形成線路。由于銅箔具有良好的導電、導熱能力,而氧化鋁能有效控制 Cu-Al2O3-Cu復合體的膨脹,使DBC基板具有近似氧化鋁的熱膨脹系數。


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DBC基板制備工藝流程



DBC具有導熱性好、絕緣性強、可靠性高等優點,已廣泛應用于IGBT、LD和CPV 封裝。DBC缺點在于,其利用了高溫下Cu與Al2O3間的共晶反應,對設備和工藝控制要求較高,基板成本較高;由于Al2O3與Cu層間容易產生微氣孔,降低了產品抗熱沖擊性;由于銅箔在高溫下容易翹曲變形,因此DBC表面銅箔厚度一般大于100m;同時由于采用化學腐蝕工藝,DBC基板圖形的最小線寬一般大于100m。


直接鍍銅陶瓷基板(DPC)

其制作首先將陶瓷基片進行前處理清洗,利用真空濺射方式在基片表面沉積Ti/Cu層作為種子層,接著以光刻、顯影、刻蝕工藝完成線路制作,最后再以電鍍/化學鍍方式增加線路厚度,待光刻膠去除后完成基板制作。


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DPC基板制備工藝流程



DPC技術具有如下優點:低溫工藝(300℃以下),完全避免了高溫對材料或線路結構的不利影響,也降低了制造工藝成本;采用薄膜與光刻顯影技術,使基板上的金屬線路更加精細,因此DPC基板非常適合對準精度要求較高的電子器件封裝。但DPC基板也存在一些不足:電鍍沉積銅層厚度有,且電鍍廢液污染大;金屬層與陶瓷間的結合強度較低,產品應用時可靠性較低。




參考來源:

郝洪順.電子封裝陶瓷基片材料研究現狀

程浩.功率電子封裝用陶瓷基板技術與應用進展




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