氮化铝HTCC基板的特点及应用

氮化铝（AlN）陶瓷具有高热导率、低介电常数、高强度、高硬度、无毒性、热膨胀系数与Si相近等良好的物理性能，且具有优异的化学稳定性和耐腐蚀性能，采用氮化铝作为介质隔离材料制备的AlN多层布线共烧基板，是大功率模块、大规模集成电路的理想散热和封装材料。

图 氮化铝HTCC基板，来源：艾森达

一、氮化铝共烧基板的制造工艺

氮化铝高温共烧多层基板（High Temperature Co-Fired Ceramic，HTCC）的制造工艺流程是在AlN粉中加入烧结助剂、添加剂等进行混合制成陶瓷浆料，通过流延成型工艺，制备出AlN生瓷片，将预先设计好的电路通过打孔、填空，印刷等方式用金属浆料制作到生瓷片上，然后再经过叠层、高温烧结等工艺最终制程高导热高密度的陶瓷基板。主要制造流程如下图所示：

图 AlN 多层陶瓷基板制造工艺流程

由于高导热率的AlN陶瓷一般只能在高温（1600℃以上）烧成，一般的贵金属导体如Pd-Ag、Au等不适合作AlN的共烧导体，只能采用钨W（熔点3400℃）、钼Mo（熔点2623°C）等高熔点金属作为AlN的共烧导体。钨、钼浆料的焊接性能差，需要在表层镀镍钯金增加焊接能力，进行后续装配。

高温共烧是制作AlN多层陶瓷基板的关键工艺，对AlN多层陶瓷基板的平整性、金属导体的附着性及方阻等影响很大。

二、氮化铝共烧基板的应用领域

AlN多层陶瓷基板既具备传统多层陶瓷基板三维集成的优势，同时又具有优越的散热性能，既可以对电路热量进行快速耗散又可以提升封装密度，同时还可以匹配半导体材料的热膨胀系数。AlN多层陶瓷基板在高密度、大功率多芯片组件（MCM-Multichip Module，MCM）的封装、LED封装、光通信封装以及MEMS封装等方面具有广泛的应用前景。

1.多芯片组件（MCM）

大规模集成电路的发展，对芯片之间的互连提出了更高的要求，高端电子系统中高密度封装技术逐渐成为发展主流。多芯片组件是微电子封装的高级形式，它是把裸芯片与微型元件组装在同一个高密度布线基板上，组成能够完成一定的功能的模块甚至子系统。MCM还能够实现电子系统的小型化、高密度化，是实现系统集成的重要途径，在MCM中高密度布线的多层基板技术是实现高密度封装的关键。

图 MCM-C

AlN是功率MCM首选的基板材料和封装材料，在功率MCM中具有广泛的应用前景。由于AlN热膨胀系数与硅接近，使得AlN基板与Si之间产生的热应力小，力学强度高，使用AlN做基板的MCM有高的可靠性，且AlN热导率高、热阻比氧化铝低，所构成的组件往往可以不使用散热片或其他冷却结构，从而降低成本，减轻重量。现在功率MCM产品中，已广泛采用AlN多层陶瓷基板作封装结构或散热基板。

2.MEMS

在MEMS系统中，包括传感器、执行器和控制驱动电路等部分，它是微电子和微机械技术的集成。在MEMS中，各部分之间结构紧密，互相影响，电路部分发热量达，机械运动部分十分脆弱，容易损坏，因此保证各部分间良好的信号传输，提供有效的保护措施是非常关键的，这对MEMS的封装技术提出了更高的要求。

图 MEMS 封装

采用AlN陶瓷制作的高密度封装用多层布线共烧陶瓷基板能够满足MEMS对封装的要求，是MEMS封装的理想材料之一。

参考资料：

1.胡永达，杨邦朝.氮化铝共烧基板金属化及其薄膜金属化特性研究[J]-电子元件与材料2003(2);

2.秦超,张伟,李富国,等.AlN多层陶瓷基板一体化封装[J].电子元器件与信息技术,2021,5(3):53-54;

3.崔嵩,黄岸兵,张浩.MCM用氮化铝共烧多层陶瓷基板的研究[J].电子元器件与信息技术2003(8)

原文始发于微信公众号（艾邦陶瓷展）：氮化铝HTCC基板的特点及应用