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陶瓷基板工艺简介

陶瓷基板由陶瓷基片和布线金属层两部分组成,金属布线是通过在陶瓷基片上溅射、蒸发沉积或印刷各种金属材料来制备薄膜和厚膜电路。


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在电子陶瓷封装中,陶瓷基板除了为电路和芯片提供结构支撑和电气互连,还必须为其提供良好的热处理以确保正常工作。


图源自日本丸和官网

陶瓷基板主要有平面陶瓷基板及多层陶瓷基板。陶瓷基板按照工艺分为DPC、DBC、AMB、LTCC、HTCC等基板。目前,国内常用陶瓷基板材料主要为Al2O3、AlN和Si3N4。Al2O3陶瓷基板主要采用DBC工艺,AlN陶瓷基板主要采用DBC和AMB工艺,Si3N4陶瓷基板更多采用AMB工艺。


1、平面陶瓷基板


根据不同工艺主要分为:薄膜陶瓷基板、厚膜印刷陶瓷基板、陶瓷覆铜基板(直接键合铜(DBC)陶瓷基板、活性金属焊接陶瓷基板、直接电镀铜陶瓷基板和激光活化金属陶瓷基板等。


1.1 薄膜陶瓷基板


利用磁控溅射、真空蒸镀和电化学沉积等工艺在陶瓷基板表面形成金属层,然后通过掩膜和刻蚀等工艺形成特定的金属图形。该工艺具有工作温度低、布线精度高、金属层厚度可控以及金属陶瓷间结合强度高等优点。用于薄膜工艺的常用陶瓷基片材料主要有Al2O3、AlN和BeO等。薄膜陶瓷基板主要应用于电流小、尺寸小、散热要求高、布线精度要求高的器件封装。


氧化铝薄膜基板图源自京瓷官网

1.2 厚膜印刷陶瓷基板


采用丝网印刷工艺印刷金属布线层,广泛应用于共烧陶瓷基板的制备。由于丝网印刷工艺精度有限,印刷电路图形的精度受到限制。此外,为了降低烧结温度,提高金属层与陶瓷基片结合强度,通常在金属浆料中添加少量玻璃相,这会不可避免地降低金属布线层的电导率和热导率。因此厚膜印刷陶瓷基板仅应用于对线路精度要求不高的电子器件封装。


氧化铝厚膜基板图源自京瓷官网

1.3 陶瓷覆铜基板


是在陶瓷基片上通过不同工艺实现铜板和陶瓷基片的键合,从而获得一种兼具陶瓷和金属铜优点的复合金属陶瓷基板,同时具有优异的热性能、电性能以及易装配等特点。陶瓷覆铜板可通过刻蚀形成各种布线电路,广泛应用于功率模块封装中。陶瓷覆铜基板工艺主要有DBC法、活性金属焊接(AMB)法、直接电镀铜(DPC)法和激光活化金属(LAM)法等


1.3.1 DBC陶瓷基板

 
图源自台湾同欣官网

是在1000℃以上的高温条件下,在含氧的氮气中加热,使铜箔和陶瓷基板通过共晶键合的方式牢固结合在一起,其键合强度高且具有良好的导热性和热稳定性。


1.3.2 AMB陶瓷基板


图源自AMO官网

AMB是DBC工艺的进一步发展,该工艺通过含有少量稀土元素的焊料来实现陶瓷基板与铜箔的连接,其键合强度高、可靠性好。该工艺相较于DBC工艺键合温度低、易操作。


1.3.3 DPC陶瓷基板


图源自台湾同欣官网

利用激光在陶瓷基片上打孔,采用半导体工艺在陶瓷基片上沉积Cu种子层,而后通过电镀工艺填孔,增厚金属层,该工艺具有电路精度高且制备温度低的特点。此外,该工艺还可实现陶瓷基板的垂直互连从而提高封装密度。

 

1.3.4 LAM陶瓷基板

 
图源自网络


通过激光束加热活化需要金属化的陶瓷基板表面,然后通过电镀或化学镀形成金属化布线。该工艺也可应用于三维立体陶瓷。采用激光活化陶瓷技术,因而具有较高的布线精度,而且金属层与陶瓷基片结合强度高,线路层表面平整。目前主要应用于航空航天领域。


2 多层陶瓷基板


电子器件及电路向着互连密度高和应用环境多样化发展,常规的平面陶瓷基板开始面临应用的局限性,为了满足这些要求,电子陶瓷基板技术开始向着高互连密度发展。高密度互连陶瓷基片技术主要有:厚膜多层(TFM)技术、高温共烧陶瓷(HTCC)技术和低温共烧陶瓷(LTCC)技术。


2.1 TFM



在单体陶瓷基板表面上通过多次厚膜印刷和烧结工艺(或薄膜溅射与刻蚀工艺)来实现多层互连的陶瓷基板技术。该工艺通过多次印刷陶瓷浆料和金属浆料形成腔体,然而由于每次印刷陶瓷浆料厚度、印刷层数和印刷对位精度有限,陶瓷基板腔体厚度必然受到限制,该工艺适用于小体积、低互连密度且对精度要求不高的电子器件封装。


图源自丸和官网

2.2 HTCC


HTCC 技术和 LTCC 技术都是多层共烧陶瓷技术, 通过在每层生瓷片上打孔、 填充金属浆料和印刷, 最后叠加在一起形成多层导体互连的基板。HTCC陶瓷基板烧结温度为1400~1500℃,其具有机械强度高、热导率高、化学性质稳定及布线密度高等优点。

图源自NGKNTK

当前HTCC领域市场占有率最高的主要是日本京瓷和NTK等公司的产品,国内发展较好的主要有中电13所、55所、43所、佳利电子、宁夏艾森达新材等。


2.3 LTCC


LTCC陶瓷基板体系有三种:微晶玻璃体系、玻璃陶瓷复合体系和非晶玻璃体系。由于金属材料电导率高、电性能优越,因此可在三维陶瓷基板结构中集成电阻、电容和电感等无源元件。


图源自京瓷官网

目前LTCC技术在高密度封装、微波/毫米波收发组件、微电子机械系统(MEMS)、多芯片组件模块(MCM)以及系统级封装系统集成(SIP)等方面应用广泛。国外主要企业有村田、京瓷、TDK、太阳诱电、博世、AVX等;国内主要有风华高科、顺络电子、中瓷电子、佳利电子、麦秸微电子、214所、宏达电子、成都宏科、研创光电等。


文章部分来源:中国电子科技集团公司第十三研究所
作者:陆琪, 刘英坤, 乔志壮, 刘林杰, 高岭


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