芯片必须经过封装才能可靠运行。陶瓷基板凭借其高导热性、高耐热性和耐腐蚀性，在功率器件封装中被广泛应用。对于深紫外LED、VCSEL激光器等对湿气、氧气和灰尘敏感的器件，传统的平面陶瓷基板难以满足要求，因此需采用带腔体结构的三维陶瓷基板进行气密封装，以提高器件的可靠性。目前市场上主流的三维陶瓷基板技术包括：高/低温共烧陶瓷、多次（丝网印刷）烧结法、胶粘法、多层电镀技术、含免烧陶瓷围坝的三维陶瓷基板技术等。

a)深紫外LED气密封装结构示意图与b)样品^【3】

一、高/低温共烧陶瓷

共烧陶瓷（Co-fired Ceramics）技术是一种高效的多层互联基板制造工艺，通过多层叠压共烧工艺，可以制备含密封腔体的多层结构，满足器件气密封装要求。根据所用材料及烧结温度的不同，可将共烧陶瓷分为高温共烧陶瓷（High Temperature Co-Fired Ceramic，HTCC）和低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-Fired Ceramic，LTCC）。

LTCC封装用于线键合3D MEMS加速度传感器(来源: Fraunhofer IKTS)

LTCC与HTCC的整体工艺流程相似，都包括以下步骤：配制浆料、流延生带、干燥生坯、钻导通孔、网印填孔、网印线路、叠层烧结，最后进行切片等后处理。这些工艺步骤所需的设备也基本相同。为了降低烧结温度，LTCC制备过程中在陶瓷浆料中添加一定量的玻璃粉来降低烧结温度。LTCC的低温烧结能力使其能兼容银、铜等高导电金属，从而提高电性能、降低损耗，并优化制造成本。这是LTCC发展的重要驱动力之一，特别是在高频电路、射频模块和微波通讯等应用领域。

LTCC制造步骤，来源 IMT Atlantique

HTCC是“耐高温的硬汉”，牺牲导电性和设计灵活性换取极端环境下的可靠性；LTCC则是“高频性能的能手”，以低损耗、高集成度成为现代通信和消费电子的主流选择。

二、多次（丝网印刷）烧结法

与HTCC/LTCC基板的一次成型制备不同，多层烧结三维陶瓷（Multilayer Sintering Ceramic Substrate，MSC）基板的主要特征是经多次丝网印刷，形成所需围坝厚度后烧结法制备而成，其工艺流程流程图如下。

MSC基板工艺流程：①先制厚膜陶瓷基板，②再以丝网印刷陶瓷浆料形成单层围坝，③低温（100～200℃,1h以上）干燥，④⑤逐层印刷固化至围坝达到所需厚度，⑥最后高温烧结成型。

与HTCC/LTCC相比，MSC基板制备技术和工艺简单，平面基板与围坝结构独立烧结成型，成本较低。此外，由于围坝与平面基板均为陶瓷材料，热膨胀系数匹配，制备与使用过程中不会出现基板翘曲和脱层等现象，且围坝经高温烧结制备，与底部结合强度及自身强度较高。其缺点在于，下部陶瓷基板线路层与上部围坝结构均采用丝网印刷布线，图形精度较低;同时因受丝网印刷工艺限制，所制备的MSC基板围坝厚度(高度)有限。因此MSC三维陶瓷基板仅适用于体积较小、精度要求较低的电子器件封装。

三、胶粘法

上述HTCC、LTCC及MSC基板线路层都采用丝网印刷制备,精度较低,难以满足高度、高集成度封装要求,平面DPC基板精度高且能够实现垂直互连，可以在此基础上成型围坝结构以制备三维陶瓷基板。因此业界提出了在高精度DPC基板上成型腔体来制备DAC（Direct Bonded 3D Ceramic）基板,但DPC基板耐受温度不高于300℃，高温下会出现氧化、起泡甚至脱层等问题。因此，不能采用高温烧结制备围坝结构，必须在低温下制备。例如采用胶粘工艺：

胶粘法制备三维陶瓷基板

1、有机胶粘

台湾瑷司柏电子股份有限公司采用有机胶粘接金属环与DPC基板，于低温下制备了含金属围坝的三维陶瓷基板。但是，有机胶是非气密性材料，长期使用会发生老化，且与金属、陶瓷的热膨胀系数差异较大，导致结构内应力大，可靠性偏低。

2、无机胶粘

美国Cree公司使用耐热性更好，且与陶瓷、金属热膨胀系数更匹配的无机胶代替有机胶实现围坝与基板粘接，使DAC基板可靠性大大提高。

四、多层电镀技术

电镀陶瓷基板(DPC)是近年来研发的一种新型陶瓷电路板，具有导热/耐热性好、图形精度高、可垂直互连等技术优势，广泛应用于半导体照明(白光LED)、杀菌消毒(深紫外LED)和高温电子器件封装为了发挥DPC基板技术的优势(高图形精度、垂直互连等)，研究人员提出了采用多次/层电镀增厚技术(Multi-Layer Plated Copper 3D Ceramic，MPC)在DPC基板上制备具有厚铜围坝结构的三维陶瓷基板。其制备工艺与DPC基板的类似，只是在完成平面DPC基板线路层加工后，通过多次光刻、显影和图形电镀完成围坝制备(厚度一般为500~700μm)。需要注意的是，由于干膜厚度有限(一般为50~80μm)，需要反复进行光刻、显影、图形电镀等。同时，为了提高生产效率，需要在电镀增厚围坝时提高电流密度，导致镀层表面粗糙，需要不断进行研磨，以保持镀层表面的平整与光滑。

多层电镀制备三维陶瓷基板工艺流程

MPC基板采用图形电镀工艺制备线路层,避免了HTCC/LTCC与TPC基板线路粗糙的问题,满足高精度封装要求。陶瓷基板与金属围坝一体化成型,形成密封腔体,结构紧凑无中间黏结层,气密性高。MPC基板整体由全无机材料构成,具有良好的耐热性、耐蚀性抗辐射性等。

五、含免烧陶瓷围坝三维陶瓷基板

为了提高三维陶瓷基板的生产效率,同时保证基板线路的精度与可靠性,研究人员提出了制备含有免烧陶瓷围坝的三维陶瓷基板--直接成型三维陶瓷(Direct Molded 3DCeramic DMC)基板。

为避免通过高温工艺在DPC基板上制备围坝结构，业界将目光放于低温成型材料上。免烧陶瓷是一种无机胶凝材料，其浆体在低温下可以通过物理或酸-碱化学反应而凝结固化，并具有一定的结构强度与粘接强度。应用于制备三维陶瓷基板的围坝结构，免烧陶瓷具有很大技术优势。

目前含免烧陶瓷围坝三维陶瓷基板的制备技术主要有基于磷酸镁免烧陶瓷的注浆法以及基于铝硅酸盐免烧陶瓷的溶模法和直写成型技术。

参考资料：

1、张海波，谭划，姜胜林主编.《先进陶瓷工艺学》.华中科技大学出版社，2023.09.

2、刘京隆.免烧陶瓷浆料磁辅助注浆成型制备三维陶瓷基板技术研究[D].华中科技大学,2022

3、陈金祥,田壮,程浩,等.多层电镀法制备三维陶瓷基板技术研究[J].电子元件与材料,2021

编辑整理：粉体圈Alpha