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陶瓷基板金属化工艺路线(电子封装陶瓷基板 下)
2021年12月15日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:1897
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陶瓷表面金属化是陶瓷基板在电子封装领域获得实际应用的重要环节,金属在高温下对陶瓷表面的润湿能力决定了金属与陶瓷之间的结合力,良好的结合力是封装性能稳定性的重要保证。因此,如何在陶瓷表面实施金属化并改善二者之间的结合力是陶瓷金属化的工艺重点。

陶瓷基片→陶瓷基板

陶瓷基片→陶瓷基板

上一个帖子分享了电子封装陶瓷基板的陶瓷基片材质类型(点击相关阅读),下文我们一起来看看如何才能让一个“陶瓷基片”变成“陶瓷基板”

一、厚膜法

厚膜印刷陶瓷基板(ThickPrintingCeramicSubstrate,TPC)是指采用丝网印刷的方式,将导电浆料直接涂布在陶瓷基体上,然后经高温烧结使金属层牢固附着于陶瓷基体上的制作工艺。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几微米到数十微米的膜层(提高金属层厚度可通过多次丝网印刷实现)。

厚膜金属化基板

厚膜金属化基板

优缺点:由于丝网印刷工艺限制,TPC基板无法获得高精度线路,因此TPC基板仅在对线路精度要求不高的电子器件封装中得到应用。不过厚膜电路虽然精度粗糙(最小线宽/线距一般大于100μm),但其优势在于性能可靠,对加工设备和环境要求低,具有生产效率高设计灵活,投资小,成本低,多应用于电压高、电流大、大功率的场合。

基材:厚膜集成电路最常用的基片是含量为96%和85%的氧化铝陶瓷;当要求导热性特别好时,可采用氧化铍陶瓷。氮化铝陶瓷虽然导热性能也很好,但大多数金属对氮化铝陶瓷的润湿性并不理想,因此使用氮化铝作为基片材料时需要特殊工艺支持,常见的手段有:①是利用玻璃料作为粘结相使金属层与AlN层达到机械结合;②是添加与AlN能够反应的物质作为粘结相,通过与AlN反应达到化学结合。

导电浆料:厚膜导体浆料的选择是决定厚膜工艺的关键因素它由功能相即金属粉末粒径在2μm以内)、粘结相(粘结剂)和有机载体所组成。常见的金属粉末有Au、Pt、Au/Pt、Au/Pd、Ag、Ag/Pt、Ag/Pd、Cu、Ni、Al及W等金属其中以Ag、Ag/Pd和Cu浆料居多。粘结剂一般是玻璃料或金属氧化物或是二者的混合物其作用是连结陶瓷与金属并决定着厚膜浆料对基体陶瓷的附着力是厚膜浆料制作的关键。有机载体的作用主要是分散功能相和粘结相同时使厚膜浆料保持一定的粘度为后续的丝网印刷做准备在烧结过程中会逐渐挥发

二、薄膜技术

薄膜技术(ThinFilmCeramicSubstrate,TFC)是指采用蒸镀、光刻与刻蚀等方法制备所需材料膜层的技术,薄膜的含义不只是膜的实际厚度,更多的是指在基板上的膜产生方式。厚膜技术是“加法技术”,而薄膜技术是“减法技术”。使用光刻与刻蚀等工艺使薄膜技术得到的图形特征尺寸更小,线条更清晰,更适合高密度和高频率环境。

微波集成电路(MIC)基板

微波集成电路(MIC)基板:高纯度(99.6%)氧化铝基板

薄膜电路的线条细(最小线宽2μm),精度高(线宽误差2μm),但也正因“细小的线”不容起伏,薄膜电路对基片的表面质量要求高,所以用于薄膜电路的基板纯度要求高(常见的是99.6%纯度的氧化铝),同时我们知道陶瓷的高纯度也就代表的加工难度及成本的攀升。此外,细小的线,使其应用于大功率大电流存在较困难,因此主要应用通信领域小电流器件封装。

三、直接镀铜

直接镀铜DirectplatingcopperDPC)工艺在陶瓷薄膜工艺加工基础上发展起来的陶瓷电路加工工艺。区别于传统的厚膜和薄膜加工工艺,它的加工更加强化电化学加工要求。通过物理方法实现陶瓷表面金属化以后,采用电化学加工导电铜和功能膜层。

DPC陶瓷基板制备工艺

DPC陶瓷基板制备工艺

工艺简述:激光在陶瓷基片上制备通孔(利用激光对DPC基板切孔与通孔填铜后,可实现陶瓷基板上下表面的互联,从而满足电子器件的三维封装要求。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。

与其他陶瓷表面金属化方法相比,DPC工艺操作温度低,一般在300℃以下,降低了制造工艺成本,同时有效避免了高温对材料的不利影响。DPC基板利用黄光微影技术制作图形电路,线宽可控制在20~30μm,表面平整度可达3μm以下,图形精度误差可控制在±1%之内,非常适合对电路精度要求较高的电子器件封装。其不足之处在于电镀沉积铜层厚度有限,电镀废液污染大,金属层与陶瓷间结合强度稍低。

四、直接敷铜法

直接键合陶瓷基板DirectBondedCopperCeramicSubstrate,DBC):直接敷铜法,在陶瓷表面(主要是Al2O3和AlN)键合铜箔的一种金属化方法。

DBC陶瓷基板制备工艺

DBC陶瓷基板制备工艺

其基本原理是在Cu与陶瓷之间引进氧元素,然后在1065~1083℃时形成Cu/O共晶液相,进而与陶瓷基体及铜箔发生反应生成CuAlO2或Cu(AlO2)2,并在中间相的作用下实现铜箔与基体的键合。因AlN属于非氧化物陶瓷,其表面敷铜的关键在于在其表面形成一层Al2O3过渡层,并在过渡层的作用下实现铜箔与基体陶瓷的有效键合。

DCB-Al2O3基板(96%)

DCB-Al2O3基板(96%)

DBC热压键合的铜箔一般较厚100~600μm具有强大的载流能力,可满足高温、大电流等极端环境的器件封应用要求,是电力电子模块中久经考验的标准器件,IGBT和LD封装领域优势明显,不过,DBC表面图形最小线宽一般大于100μm,不适合精细线路的制作。

五、活性金属焊接陶瓷基板

由于DBC陶瓷基板制备工艺温度高,金属陶瓷界面应力大,作为活性DBC的升级版本,活性金属焊接陶瓷基板(Active Metal Brazing Ceramic SubstrateAMB)的金属焊料中加入了少量活性元素(Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta等稀土元素制备),可大大降低铜箔与陶瓷基片间的键合温度。

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。但是该方法成本较高,合适的活性焊料较少,且焊料成分与工艺对焊接质量影响较大。

六、共烧法

共烧多层陶瓷基板因利用厚膜技术将信号线、微细线等无源元件埋入基板中能够满足集成电路的诸多要求故在近几年获得了广泛的关注

共烧法有两种,一种是高温共烧(HTCC),另一种是低温共烧(LTCC),两者工艺流程基本相同,主要生产工艺流程均为浆料配制、流延生带、干燥生坯、钻导通孔、网印填孔、网印线路、叠层烧结以及最后的切片等后处理过程。两种共烧法虽流程大致相同,但烧结的温度却相差很大。

典型的多层陶瓷基板的制造过程

典型的多层陶瓷基板的制造过程

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2、多层低温共烧陶瓷技术(LTCC),完美匹配高频通信需求

HTCC共烧温度为1300~1600℃,而LTCC烧结温度则为850~900℃。造成这种差别的主要原因在于LTCC烧结浆料中加入了可以降低烧结温度的玻璃材料,这是HTCC共烧浆料中所没有的。虽然玻璃材料可降低烧结温度,但是导致基板的热导率大幅下降。

HTCC材料烧结的温度更高,因而具有更高的机械强度、热导率以及化学稳定性,同时具有材料来源广泛和成本低、布线密度高等优点,HTCC基板在对热稳定性、基体机械强度、导热性、密封性、可靠性要求较高的大功率封装领域更有优势。但由于所用金属电导率低,会造成信号延迟等缺陷,所以不适合做高速或高频微组装电路的基板。

LTCC基板由于玻璃陶瓷低介电常数和高频低损耗性能,使之非常适合应用于射频、微波和毫米波器件中。但由于在陶瓷浆料中添加了玻璃类材料,会使基板导热率偏低,烧结温度较低也使其机械强度不如HTCC基板。

上集回顾:

导热专题|一起看看电子封装陶瓷基板(上)

 

编辑:粉体圈Alpha

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