陶瓷基板具有热导率高、耐热性好、机械强度高、热膨胀系数低等优势,是功率半导体器件封装常用的散热材料。根据封装结构和应用要求,陶瓷基板可分为平面陶瓷基板和三维陶瓷基板两大类。今天小编主要讲述一下平面电子陶瓷基板的分类和制作技术。
根据制备原理与工艺不同,平面陶瓷基板可分为薄膜陶瓷基板(Thin Film Ceramic Substrate,TFC)、厚膜印刷陶瓷基板(Thick Printing Ceramic Substrate,TPC)、直接键合铜陶瓷基板(Direct Bonded Copper Ceramic Substrate,DBC)、活性金属焊接陶瓷基板(Active Metal Brazing Ceramic Substrate,AMB)、直接电镀铜陶瓷基板(Direct Plated Copper Ceramic Substrate,DPC)和激光活化金属陶瓷基板(Laser Activated Metallization Ceramic Substrate,LAM)等。
薄膜陶瓷基板一般采用溅射工艺直接在陶瓷基片表面沉积金属层。如果辅助光刻、显影、刻蚀等工艺,还可将金属层图形化制备成线路,由于溅射镀膜沉积速度低(一般低于1μm/h),如下图：
因此TFC基板表面金属层厚度较小(一般小于1μm),可制备高图形精度(线宽/线距小于10μm)陶瓷基板,主要应用于激光与光通信领域小电流器件封装。
通过丝网印刷将金属浆料涂覆在陶瓷基片上，干燥后经高温烧结(温度一般在850°C～900°C)制备TPC基板，其工艺流程如下图所示。根据金属浆料粘度和丝网网孔尺寸不同，制备的金属线路层厚度一般为10μm～20μm(提高金属层厚度可通过多次丝网印刷实现)。TFC基板制备工艺简单，对加工设备和环境要求低，具有生产效率高、制造成本低等优点。但是，由于丝网印刷工艺限制，TFC基板无法获得高精度线路(最小线宽/线距一般大于100μm)。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，这将降低金属层电导率和热导率。因此TPC基板仅在对线路精度要求不高的电子器件(如汽车电子)封装中得到应用。
DBC陶瓷基板制备首先在铜箔(Cu)和陶瓷基片(Al2O3或AlN)间引入氧元素，然后在1065°C形成Cu/O共晶相(金属铜熔点为1083°C)，进而与陶瓷基片和铜箔发生反应生成CuAlO2或Cu(AlO2)2，实现铜箔与陶瓷间共晶键合，其制备工艺和产品分别如下图所示。由于陶瓷和铜具有良好的导热性，且铜箔与陶瓷间共晶键合强度高，因此DBC基板具有较高的热稳定性，已广泛应用于绝缘栅双极二极管(IGBT)、激光器(LD)和聚焦光伏(CPPV)等器件封装散热中。
DBC基板铜箔厚度较大(一般为100μm～600μm),可满足高温、大电流等极端环境下器件封装应用需求(为降低基板应力与翘曲，一般采用Cu-Al2O3-Cu的三明治结构,且上下铜层厚度相同)。
虽然DBC基板在实际应用中有诸多优势，但在制备过程中要严格控制共晶温度及氧含量，对设备和工艺控制要求较高，生产成本也较高。此外，由于厚铜刻蚀限制，无法制备出高精度线路层。
在DBC基板制备过程中，氧化时间和氧化温度是最重要的两个参数。铜箔经预氧化后，键合界面能形成足够CuxOy相润湿Al2O3陶瓷与铜箔，具有较高的结合强度；若铜箔未经过预氧化处理，CuxOy润湿性较差，键合界面会残留大量空洞和缺陷，降低结合强度及热导率。对于采用AlN陶瓷制备DBC基板，还需对陶瓷基片进行预氧化，先生成Al2O3薄膜，再与铜箔发生共晶反应。
AMB陶瓷基板利用含少量活性元素的活性金属焊料实现铜箔与陶瓷基片间的焊接,其工艺流程如图上上图所示。活性焊料通过在普通金属焊料中添加Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta等稀土元素制备,由于稀土元素具有高活性,可提高焊料熔化后对陶瓷的润湿性,使陶瓷表面无需金属化就可与金属实现焊接。AMB基板制备技术是DBC基板工艺的改进(DBC基板制备中铜箔与陶瓷在高温下直接键合,而AMB基板采用活性焊料实现铜箔与陶瓷基片间键合),通过选用活性焊料可降低键合温度(低于800°C),进而降低陶瓷基板内部热应力。此外,AMB基板依靠活性焊料与陶瓷发生化学反应实现键合,因此结合强度高,可靠性好。
DPC陶瓷基板制备工艺如图所示。首先利用激光在陶瓷基片上制备通孔(孔径一般为60μm～120μm),随后利用超声波清洗陶瓷基片;采用磁控溅射技术在陶瓷基片表面沉积金属种子层(Ti/Cu),接着通过光刻、显影完成线路层制作;采用电镀填孔和增厚金属线路层,并通过表面处理提高基板可焊性与抗氧化性,最后去干膜、刻蚀种子层完成基板制备。
从图片可以看出,DPC陶瓷基板制备前端采用了半导体微加工技术(溅射镀膜、光刻、显影等),后端则采用了印刷线路板(PCB)制备技术(图形电镀、填孔、表面研磨、刻蚀、表面处理等),技术优势明显。
LAM基板制备利用特定波长的激光束选择性加热活化陶瓷基片表面，随后通过电镀/化学镀完成线路层制备，工艺流程如图所示。
图 (a)LAM基板工艺流程;(b)LAM基板加工示意图;(c)LAM基板产品
(1)无需采用光刻、显影、刻蚀等微加工工艺,通过激光直写制备线路层,且线宽由激光光斑决定,精度高(可低至10μm～20μm),如图5(b)所示；
(2)可在三维结构陶瓷表面制备线路层,突破了传统平面陶瓷基板金属化的限制,如图5(c)所示；
(3)金属层与陶瓷基片结合强度高,线路层表面平整,粗糙度在纳米级别。从上可以看出,虽然LAM技术可在平面陶瓷基板或立体陶瓷结构上加工线路层,但其线路层由激光束“画”出来,难以大批量生产,导致价格极高,目前主要应用在航空航天领域异型陶瓷散热件加工。表1对不同工艺制备的平面电子陶瓷基板性能进行了对比。
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第四届陶瓷基板及封装产业高峰论坛
材料、工艺、设备
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序号
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议题
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IC产业链中的陶瓷封装技术
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中电58所、西安微电子技术研究所、北京微电子技术研究所
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2
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高可靠陶瓷封装技术自主创新的机遇与挑战
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中电13所、时代民芯、中科芯集成电路
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3
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先进封装技术在汽车激光雷达的应用解决方案
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合肥圣达、肖特
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4
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汽车级IGBT用陶瓷封装覆铜板应用要求
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比亚迪半导、斯达半导、中车时代
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5
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AMB陶瓷基板在功率半导体的封装应用
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博敏电子/芯舟 王强 执行总经理
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6
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电力电子器件及功率模块封装用DBC陶瓷基板
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罗杰斯、富乐德、贺利氏、合肥圣达、深圳景旺、深圳思睿辰、南京中江
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7
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电镀陶瓷基板（DPC）技术研发与封装应用
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华中科技大学 陈明祥 教授/博导/系主任
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8
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DPC陶瓷电路板在大功率LED上的应用
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赛创电气、深圳昱安旭瓷、苏州昀冢、深圳金瑞欣、梅州展至
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9
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关键活化金属焊料在AMB陶瓷覆铜板的应用介绍
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浙江亚通焊材、海外华昇
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10
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应用于氮化铝陶瓷基板的浆料介绍
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西安宏星电子浆料 专家
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11
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系统级封装用陶瓷材料研究进展和发展趋势
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中瓷电子、中电43所、电子科技大学
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12
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高纯氧化铝粉体在陶瓷基板的应用
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法铝、住友、扬州中天利、河南天马
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13
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陶瓷基板堆叠型三维系统级封装技术方案介绍
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中电55所、14所、43所
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14
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高性能氮化铝粉体应用于高导热陶瓷基板方案
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日本德山、厦门钜瓷、宁夏艾森达、上海东洋炭素
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15
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高导热氮化铝陶瓷基板在陶瓷封装覆铜板上的应用
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日本丸和、福建华清、无锡海古德、浙江正天、福建臻璟
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16
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高可靠精密流延机在陶瓷领域的应用
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西安鑫乙 技术专家
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先进窑炉装备在陶瓷管壳、陶瓷覆铜板领域的应用解决方案
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合肥泰络 技术专家
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陶瓷封装基板表面冲孔加工精度控制
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中电风华信息装备 张浚 大客户经理
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PVD设备在DPC陶瓷基板的应用
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北方华创
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20
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钨钼浆料在HTCC中的应用研究
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深圳瓷金科技 潘亚蕊 总经理
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如有演讲意向，请联系周小姐：18320865613（微信同电话号码）。
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原文始发于微信公众号（艾邦陶瓷展）：平面电子陶瓷基板的分类以及制作技术
