陶瓷基板是电子封装的绝佳选择

日期：2021-07-30 浏览次数：次

以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代(dai)(dai)表(biao)的(de)(de)第(di)三代(dai)(dai)半(ban)导体(ti)(ti)(ti)(ti)材料，是固态(tai)光(guang)(guang)源（如LED）、激光(guang)(guang)器（LD）、电(dian)力电(dian)子(zi)（如IGBT）、聚光(guang)(guang)光(guang)(guang)伏（CPV）、微波(bo)射(she)频（RF）等(deng)器件的(de)(de)“核芯”，在(zai)半(ban)导体(ti)(ti)(ti)(ti)照明、汽车电(dian)子(zi)、新(xin)一(yi)代(dai)(dai)移动通(tong)信(xin)（5G）、新(xin)能(neng)源与(yu)新(xin)能(neng)源汽车、高速轨道交通(tong)、消费类(lei)电(dian)子(zi)等(deng)领域(yu)具有(you)广阔(kuo)的(de)(de)应(ying)用(yong)前景，有(you)望突破传统半(ban)导体(ti)(ti)(ti)(ti)技术瓶颈，与(yu)第(di)一(yi)代(dai)(dai)、第(di)二(er)代(dai)(dai)半(ban)导体(ti)(ti)(ti)(ti)技术互(hu)补，在(zai)光(guang)(guang)电(dian)器件、电(dian)力电(dian)子(zi)、汽车电(dian)子(zi)、航空(kong)航天、深(shen)井钻探等(deng)领域(yu)具有(you)重要应(ying)用(yong)价值(zhi)，对节(jie)能(neng)减排、产(chan)业(ye)转型升级(ji)、催生新(xin)经(jing)济增长点将发挥重要作用(yong)。然而，半(ban)导体(ti)(ti)(ti)(ti)器件的(de)(de)不断发展，带来的(de)(de)是对电(dian)子(zi)封(feng)装技术的(de)(de)更高要求。

●电(dian)子封装的(de)作(zuo)用●

电(dian)子(zi)封装是(shi)(shi)一(yi)种将半导体(ti)集(ji)成(cheng)电(dian)路用绝(jue)缘材料打包(bao)的技(ji)术，我(wo)们(men)常(chang)见的半导体(ti)器(qi)件(jian)都(dou)是(shi)(shi)经过电(dian)子(zi)封装后的产物(wu)，电(dian)子(zi)封装对于芯片来说是(shi)(shi)至关(guan)重(zhong)要的，那么电(dian)子(zi)封装又起到(dao)了那些作用呢(ni)，让我(wo)们(men)接着往(wang)下看。

（1）为芯(xin)片和电子元件提供(gong)机械支(zhi)撑和环境保护；

（2）引出芯(xin)片正、负极，实现(xian)电互(hu)联和(he)信号传输；

（3）提供(gong)快速(su)散热通(tong)道，避免局部(bu)温度过(guo)高；

（4）有助于器件(jian)光、电、热、集(ji)成(cheng)及可(ke)靠(kao)性等性能提高。

●陶瓷(ci)基板的优势●

电(dian)子封装(zhuang)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)主要(yao)包(bao)括基板(ban)、布(bu)线、框(kuang)架、层间介(jie)质和密封材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)。其中(zhong)，电(dian)子封装(zhuang)用基板(ban)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)要(yao)求具有(you)(you)低(di)成本(ben)、易加工(gong)、高(gao)导(dao)热性(xing)与绝缘等特性(xing)。常用基板(ban)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)包(bao)括有(you)(you)塑料(liao)(liao)(liao)、金属和陶(tao)瓷等。塑料(liao)(liao)(liao)基板(ban)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)具有(you)(you)价格低廉(lian)，工艺成熟以及易加工等特性，但其导(dao)(dao)热(re)性(xing)导(dao)(dao)电性(xing)差(cha)，热(re)膨胀系数与器件匹配(pei)度低，难以满足中高端封装需求。金属基板(ban)材料(liao)虽导热(re)率高，但热膨胀系(xi)数(shu)难以与封装器件匹配，且价格较高(gao)，不宜(yi)广泛使用(yong)。陶瓷(ci)凭借其极好(hao)的(de)耐(nai)(nai)高温(wen)、耐(nai)(nai)腐(fu)蚀、热导率高、机械强度(du)高、热膨胀系数与芯(xin)片相(xiang)匹配及不易劣化等特性成为大(da)功率、高密度、高温及(ji)高频器件封装(zhuang)的首选。

●陶瓷基(ji)板制备技(ji)术●

现在技术较为成熟的陶瓷(ci)基(ji)板(ban)有：厚膜陶瓷(ci)基(ji)板(ban)（TPC）、直接键合覆(fu)铜陶瓷基板(ban)（DBC）、直接电镀(du)铜陶瓷基板(ban)（DPC）、高温共烧陶瓷基板(ban)（HTCC）和低温共烧陶瓷基板(ban)（LTCC）等(deng)，接下来就(jiu)让我们(men)来更深入(ru)的了解他们(men)。

（一）厚膜(mo)印刷陶(tao)瓷基(ji)板（TPC）

厚(hou)膜(mo)印刷陶瓷(ci)基(ji)板（TPC）通过丝(si)(si)网(wang)印刷将金(jin)属(shu)浆料(liao)涂覆在陶瓷(ci)基(ji)片上(shang)，干(gan)燥后经(jing)高温烧(shao)结（温度(du)一般在850-900℃）完成(cheng)基(ji)板(ban)制(zhi)(zhi)备。根据金(jin)属(shu)浆料(liao)粘度(du)和丝(si)(si)网(wang)网(wang)孔尺寸不同，制(zhi)(zhi)备的金(jin)属(shu)线路层(ceng)厚(hou)(hou)度(du)一般为(wei)10-20μm（提高金(jin)属(shu)层(ceng)厚(hou)(hou)度(du)可通过多次丝(si)(si)网(wang)印刷实现）。TPC基(ji)板(ban)制(zhi)(zhi)备工艺(yi)简单，对(dui)加工(gong)设备和环境(jing)要求(qiu)低，具有生产(chan)效率高、制(zhi)造成本(ben)低等优(you)点。但(dan)是，由于丝网印(yin)刷工艺限制，TPC基板无法获得高精(jing)度线路（最小线宽/线距一般大于(yu)100μm）。此外，为了降低烧结(jie)温度，提高金属层与陶(tao)瓷基片结(jie)合强度，通常(chang)在(zai)金属浆料中(zhong)添加少量(liang)玻璃相，这将降低(di)金(jin)属层电导率和热导率。因此TPC基板仅在对线(xian)路(lu)精(jing)度要(yao)求不高的电(dian)子器件（如(ru)汽车电(dian)子）封装中得(de)到应用。

厚膜(mo)印刷陶瓷基板（TPC）产品及其截面图

（二(er)）直接(jie)键(jian)合覆铜陶瓷基板（DBC）

DBC陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)基(ji)板(ban)制备首先(xian)在铜(tong)(tong)(tong)箔(bo)（Cu）和(he)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)基(ji)片（Al2O3或(huo)AlN）间引入氧元(yuan)素，然(ran)后在1065℃形成Cu/O共(gong)(gong)晶晶相（金属铜(tong)(tong)(tong)熔点为1083℃）。进而(er)与(yu)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)基(ji)片和(he)和(he)铜(tong)(tong)(tong)箔(bo)发生(sheng)反应生(sheng)成CuAlO2或(huo)Cu（AlO2）2，实现铜(tong)(tong)(tong)箔(bo)与(yu)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)间共(gong)(gong)晶键(jian)合(he)。由于(yu)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)和(he)和(he)铜(tong)(tong)(tong)具(ju)(ju)有良好的(de)导热性(xing)，且(qie)铜(tong)(tong)(tong)箔(bo)与(yu)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)间共(gong)(gong)晶键(jian)合(he)强度(du)高(gao)，因此DBC基(ji)板(ban)具(ju)(ju)有较高的热稳定性，已广泛应用于(yu)绝缘(yuan)栅(zha)双极晶体管(guan)（IGBT）、激光器（LD）和聚光光伏（CPV）等器件封装散(san)热中(zhong)。虽(sui)然DBC基(ji)板(ban)在在实(shi)际(ji)应用(yong)中(zhong)有(you)诸(zhu)多优势，但在制(zhi)备过程中(zhong)要严(yan)格控制(zhi)共晶温度及氧含量，对设备和工艺控(kong)制(zhi)要求(qiu)较(jiao)高(gao)，生(sheng)产成本也(ye)较(jiao)高(gao)。此外，由(you)于厚铜刻(ke)蚀(shi)限制，无法制备出高精度(du)线路层。

直接键合覆铜陶瓷基板(ban)（DBC）产品图

（三）直(zhi)接电(dian)镀(du)陶(tao)瓷基板（DPC）

DPC陶(tao)瓷基板制(zhi)(zhi)备工艺如下：首先利(li)用(yong)激光在(zai)陶(tao)瓷基片(pian)上制(zhi)(zhi)备通(tong)孔(kong)（孔(kong)径一般为60-120μm），随后利(li)用(yong)超声波清洗陶(tao)瓷基片(pian)；采用(yong)磁控溅(jian)射技术在(zai)陶(tao)瓷基片(pian)表(biao)面沉积(ji)金(jin)属种(zhong)子层（Ti/Cu），接着通(tong)过光刻、显(xian)影完成(cheng)线(xian)路(lu)(lu)层制(zhi)(zhi)作(zuo)；采用(yong)电镀填孔(kong)和增厚金(jin)属线(xian)路(lu)(lu)层，并通(tong)过表(biao)面处理提(ti)高基板可焊性与抗氧化性，最后去干膜、刻蚀种(zhong)子层完成(cheng)基板制(zhi)(zhi)备。

具体特点包括：

（1）采(cai)用(yong)半导(dao)体微加(jia)工技术(shu)，陶(tao)瓷基板上金属线(xian)路(lu)更加(jia)精(jing)细（线(xian)宽/线(xian)距(ju)可(ke)低至30-50μm，与线(xian)路(lu)层厚(hou)度相(xiang)关）；

（2）采用激光打孔与电(dian)镀填孔技(ji)术，实现(xian)了(le)陶瓷基(ji)板上/下表面垂直互联(lian)，可实现(xian)电(dian)子器件三维(wei)封(feng)装与集成，降低器件体积(ji)；

（3）采用(yong)电镀生长控制线(xian)(xian)路(lu)层厚度（一般(ban)为10-100μm），并(bing)通过研磨降低(di)线(xian)(xian)路(lu)层表面(mian)粗糙度；

（4）低(di)温制备工艺(yi)（300℃以下）避免了高温对基片材(cai)料和金属线路层(ceng)的不利影响，同时也降低(di)了生产成(cheng)本。目(mu)前DPC陶瓷基板主要应用于(yu)大功率(lv)LED封装。

陶瓷基板是电子封装的绝佳选择

直(zhi)接电(dian)镀陶瓷(ci)基板（DPC）产品及其截面图(tu)

（四）高温(wen)共烧陶(tao)瓷（HTCC）

高温共烧陶(tao)瓷(ci)基板(ban)（HTCC）制备过(guo)程如下：首先将(jiang)(jiang)陶瓷粉末（Al2O3或AlN）加入有机黏(nian)结(jie)剂(ji)，混合(he)均匀后(hou)成为膏状(zhuang)陶瓷浆(jiang)(jiang)料，接着利用(yong)刮刀将(jiang)(jiang)陶瓷浆(jiang)(jiang)料刮成片(pian)状(zhuang)，再通过(guo)干燥工艺使(shi)片(pian)状(zhuang)浆(jiang)(jiang)料形成生胚(pei)；然后(hou)根据线路层设计钻导通孔，采用(yong)丝网印刷金(jin)属(shu)浆(jiang)(jiang)料进行布线和填孔，最后(hou)将(jiang)(jiang)各生胚(pei)层叠加，置于高(gao)温(wen)炉中烧结(jie)而成。高(gao)温(wen)共烧陶瓷基(ji)板(ban)烧结(jie)温(wen)度较高(gao)，具有机械强度高(gao)(gao)、热导率(lv)高(gao)(gao)、化学(xue)性(xing)质稳定(ding)及布线密度高(gao)(gao)等优点。高温烧结陶瓷的(de)金属化材料一(yi)般(ban)以熔点高的(de)金属W、Mo和Mn等为主(zhu)，然而这类金属有导电性较差的(de)缺点，需要在该金属表面镀(du)Ni和Au来降(jiang)低传输损耗以(yi)及起到保护电路(lu)的(de)作用，这就使得其制作成本较高(gao)。此外，受到丝网(wang)印(yin)刷工(gong)艺限制，HTCC基板线路(lu)精度(du)较(jiao)差，难以满足高精度封装需求。

高温共烧陶(tao)瓷基板产品图

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（五）低温共烧陶瓷基板（LTCC）

低温(wen)共(gong)烧陶瓷基板（LTCC）的制(zhi)(zhi)备工艺(yi)与高(gao)温共烧陶(tao)瓷基(ji)板(ban)类似，只是低温高(gao)烧陶(tao)瓷基(ji)板(ban)制(zhi)(zhi)备时在陶(tao)瓷浆料(liao)中加入了(le)(le)一定量玻(bo)璃粉(fen)来降低烧结温度(du)，同(tong)时使用导(dao)电(dian)性良好的Cu、Ag和Au等制(zhi)(zhi)备金(jin)属浆料(liao)。LTCC技(ji)术(shu)既通过(guo)采用特(te)殊材料(liao)体系(xi)，降低了(le)(le)烧结温度(du)，从(cong)而(er)可(ke)以(yi)和低熔(rong)点(dian)高(gao)电(dian)导(dao)率金(jin)属实现共烧，又实现了(le)(le)多层烧结，提高(gao)了(le)(le)元器(qi)件集(ji)成度(du)与封装密(mi)度(du)，从(cong)而(er)集(ji)合了(le)(le)厚(hou)膜技(ji)术(shu)和HTCC技(ji)术(shu)的优(you)点(dian)，并有效克服了(le)(le)他们(men)的缺点(dian)。但(dan)是，收(shou)缩率一致(zhi)性(xing)低和散热性(xing)能较差是(shi)LTCC基(ji)板的(de)性能(neng)短(duan)板。

LTCC技术的主要优点如下(xia)：

（1）LTCC基板陶瓷材料性能优异，介电常数较小，具有优良的高(gao)频特性和(he)高(gao)品质因数（Q）特性，使用频率可高(gao)达(da)100 GHz甚至更高(gao)；

（2）金、银等具有高(gao)电(dian)(dian)导率(lv)的(de)(de)导体材料性(xing)(xing)能(neng)优异(yi)，能(neng)够满(man)足(zu)大电(dian)(dian)流和高(gao)温特(te)性(xing)(xing)的(de)(de)需求，从而可以提高(gao)系统的(de)(de)品质因数，且基(ji)板导热性(xing)(xing)能(neng)优于传统的(de)(de)印刷电(dian)(dian)路板材料；

（3）LTCC基板中可埋入无源元(yuan)件等，显(xian)著提升电路和系统的组装密度；

（4）LTCC叠层(ceng)层(ceng)数高达上百层(ceng)，可(ke)精(jing)细布线(xian)(xian)至(zhi)50μm线(xian)(xian)宽(kuan)或线(xian)(xian)间距(ju)；

（5）温度特性良好，热膨胀系(xi)数（CTE）较(jiao)小(xiao)，共振频率温度系(xi)数（Tf）较(jiao)小(xiao)；

（6）LTCC生(sheng)产(chan)(chan)工(gong)艺属(shu)于(yu)非连续生(sheng)产(chan)(chan)，特定(ding)的检查工(gong)序可(ke)以提高产(chan)(chan)品成品率，同时降(jiang)低成本(ben)。

陶瓷基板是电子封装的绝佳选择

低温共烧陶(tao)瓷基板产品图

下表是对(dui)常见陶瓷基板(ban)部分(fen)性能(neng)的简要(yao)总结：

常(chang)见陶瓷基板(ban)综合性能(neng)对比表

●总(zong) 结●

随着(zhe)半导体(ti)技术不(bu)断发展(zhan)，功(gong)(gong)率器件也将逐(zhu)渐向大(da)功(gong)(gong)率、小(xiao)型化、集成化、多功(gong)(gong)能等方(fang)向发展(zhan),对电子封装的(de)(de)要(yao)求也越来越高(gao)。而陶瓷(ci)基(ji)(ji)板(ban)具有高(gao)导(dao)热、高(gao)耐(nai)热、高(gao)绝缘、高(gao)强度、低热胀、耐(nai)腐蚀及(ji)抗(kang)辐射等(deng)特点(dian)，其应用前(qian)景广阔符合半导(dao)体行业对电子封装的(de)(de)要(yao)求。因此需要(yao)加强陶瓷(ci)基(ji)(ji)板(ban)核心技(ji)术(shu)研发(包括陶瓷(ci)粉(fen)料、基(ji)(ji)片及(ji)基(ji)(ji)板(ban)制(zhi)备技(ji)术(shu)等(deng))，满足国内飞速发展的(de)(de)市场需求。

参考(kao)来源：

电子(zi)封装陶瓷基板(ban)，程浩，陈明祥，罗小兵，彭(peng)洋，刘松坡。

无机胶粘接制备三维陶瓷基板技术研(yan)究，黄炎(yan)琴。

电子封装用(yong)陶瓷基片材料的研究进展(zhan)，张兆生，卢振亚(ya)，陈志武。

陶(tao)瓷(ci)基(ji)板(ban)研究现状及新进展(zhan)，陆琪，刘英坤，乔志壮，刘林杰，高(gao)岭。

低温共烧陶瓷材料的研(yan)究进展，张(zhang)晓辉，郑欣(xin)。