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陶瓷基板是电子封装的绝佳选择
2021年07月20日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:117
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以碳化硅SiC和氮化镓GaN为代表的第三代半导体材料是固态光源LED)、激光器LD)、电力电子IGBT)、光伏CPV)、微波射频RF等器件的“核芯”在半导体照明汽车电子、新一代移动通信5G、新能源与新能源汽车、高速轨道交通、消费类电子等领域具有广阔的应用前景有望突破传统半导体技术瓶颈与第一代、第二代半导体技术互补在光电器件、电力电子、汽车电子、航空航天、深井钻探等领域具有重要应用价值对节能减排、产业转型升级、催生新经济增长点将发挥重要作用然而,半导体器件的不断发展,带来的是对电子封装技术的更高要求。



电子封装的作用

电子封装是一种将半导体集成电路用绝缘材料打包的技术,我们常见的半导体器件都是经过电子封装后的产物,电子封装对于芯片来说是至关重要的,那么电子封装又起到了那些作用呢,让我们接着往下看。

(1)为芯片和电子元件提供机械支撑和环境保护;

(2)引出芯片正、负极,实现电互联信号传输

(3)提供快速散热通道,避免局部温度过高;

(4)有助于器件光、电、热、集成及可靠性等性能提高



陶瓷基板的优势

电子封装材料主要包括基板、布线、框架、层间介质和密封材料。其中,电子封装用基板材料要求具有低成本、易加工、高导热性与绝缘等特性。常用基板材料包括有塑料、金属和陶瓷等。塑料基板材料具有价格低廉,工艺成熟以及易加工等特性,但其导热性导电性差热膨胀系数与器件匹配度低,难以满足中高端封装需求。金属基板材料虽导热率高,但热膨胀系数难以与封装器件匹配,且价格较高,不宜广泛使用。陶瓷凭借其极好的耐高温、耐腐蚀、热导率高、机械强度高、热膨胀系数与芯片相匹配不易劣化等特性成为大功率、高密度、高温及高频器件封装的首选。



陶瓷基板制备技术

现在技术较为成熟的陶瓷基板有:厚膜陶瓷基板(TPC)、直接键合覆铜陶瓷基板(DBC)、直接电镀铜陶瓷基板(DPC)、高温共烧陶瓷基板(HTCC)和低温共烧陶瓷基板(LTCC)等,接下来就让我们来更深入的了解他们。

(一)厚膜印刷陶瓷基板(TPC)

厚膜印刷陶瓷基板(TPC)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850-900℃)完成基板制备。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10-20μm(提高金属层厚度可通过多次丝网印刷实现)。TPC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,TPC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。

 

厚膜印刷陶瓷基板(TPC)产品及其截面图

(二)直接键合覆铜陶瓷基板(DBC)

DBC陶瓷基板制备首先在铜箔(Cu)和陶瓷基片(Al2O3AlN)间引入氧元素,然后在1065℃形成Cu/O共晶晶相(金属铜熔点为1083℃)。进而与陶瓷基片和和铜箔发生反应生成CuAlO2Cu(AlO22,实现铜箔与陶瓷间共晶键合。由于陶瓷和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晶体管(IGBT)、激光器(LD)和聚光光伏(CPV)等器件封装散热中。虽然DBC基板在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

 

直接键合覆铜陶瓷基板(DBC)产品图

(三)直接电镀陶瓷基板(DPC)

DPC陶瓷基板制备工艺如下:首先利用激光在陶瓷基片上制备通孔(孔径一般为60-120μm),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。

具体特点包括:(1)采用半导体微加工技术,陶瓷基板上金属线路更加精细(线宽/线距可低至30-50μm,与线路层厚度相关);(2)采用激光打孔与电镀填孔技术,实现了陶瓷基板上/下表面垂直互联,可实现电子器件三维封装与集成降低器件体积;(3)采用电镀生长控制线路层厚度(一般为10-100μm),并通过研磨降低线路层表面粗糙度;(4)低温制备工艺300℃以下)避免了高温对基片材料和金属线路层的不利影响,同时也降低了生产成本。目前DPC陶瓷基板主要应用于大功率LED封装。

 

直接电镀陶瓷基板(DPC)产品及其截面图

(四)高温共烧陶瓷(HTCC)

高温共烧陶瓷基板(HTCC)制备过程如下:首先将陶瓷粉末(Al2O3AlN)加入有机黏结剂,混合均匀后成为膏状陶瓷浆料,接着利用刮刀将陶瓷浆料刮成片状,再通过干燥工艺使片状浆料形成生胚;然后根据线路层设计钻导通孔,采用丝网印刷金属浆料进行布线和填孔,最后将各生胚层叠加,置于高温炉中烧结而成。高温共烧陶瓷基板烧结温度较高,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。高温烧结陶瓷的金属化材料一般以熔点高的金属W、Mo和Mn等为主,然而这类金属有导电性较差的缺点,需要在该金属表面镀Ni和Au来降低传输损耗以及起到保护电路的作用,这就使得其制作成本较高。此外,受到丝网印刷工艺限制,HTCC基板线路精度较差难以满足高精度封装需求

 

高温共烧陶瓷基板产品图

(五)低温共烧陶瓷基板(LTCC)

低温共烧陶瓷基板(LTCC)的制备工艺与高温共烧陶瓷基板类似,只是低温高烧陶瓷基板制备时在陶瓷浆料中加入了一定量玻璃粉来降低烧结温度,同时使用导电性良好的Cu、Ag和Au等制备金属浆料。LTCC技术既通过采用特殊材料体系,降低了烧结温度,从而可以和低熔点高电导率金属实现共烧,又实现了多层烧结,提高了元器件集成度与封装密度,从而集合了厚膜技术和HTCC技术的优点,并有效克服了他们的缺点。但是,收缩率一致性低散热性能较差LTCC基板的性能短板。LTCC技术的主要优点如下:

(1)LTCC基板陶瓷材料性能优异,介电常数较小,具有优良的高频特性和高品质因数(Q)特性,使用频率可高达100 GHz甚至更高;

(2)金、银等具有高电导率的导体材料性能优异,能够满足大电流和高温特性的需求,从而可以提高系统的品质因数,且基板导热性能优于传统的印刷电路板材料;

(3)LTCC基板中可埋入无源元件等,显著提升电路和系统的组装密度

(4)LTCC叠层层数高达上百层,可精细布线至50μm线宽或线间距;

(5)温度特性良好,热膨胀系数(CTE)较小,共振频率温度系数(Tf)较小

(6)LTCC生产工艺属于非连续生产,特定的检查工序可以提高产品成品率,同时降低成本。

 

低温共烧陶瓷基板产品图

下表是对常见陶瓷基板部分性能的简要总结

常见陶瓷基板综合性能对比表

性能

TPC

DBC

DPC

HTCC

LTCC

热导率/W∙(m∙℃)-1

20-25

20-25

20-25

16-20

2.0-3.0

制备工艺温度(

800-850

1065

200-300

1300-1600

850-900

图形精度/μm

>100

>200

30-50

>200

>200

通孔垂直集成

可行,困难

不可行

可行

可行

可行

生产成本

较低

较高

很高

主要应用领域

航空航天、光通信

LD/CPV/IGBT

LED

航空航天、光通信

汽车电子、高温传感器/LED


总结

随着半导体技术不断发展,功率器件也将逐渐向大功率、小型化、集成化、多功能等方向发展,对电子封装的要求也越来越高。而陶瓷基板具有高导热、高耐热、高绝缘、高强度、低热胀、耐腐蚀及抗辐射等特点,其应用前景广阔符合半导体行业对电子封装的要求。因此需要加强陶瓷基板核心技术研发(包括陶瓷粉料、基片及基板制备技术等),满足国内飞速发展的市场需求。

 

参考来源:

(1)电子封装陶瓷基板,程浩,陈明祥,罗小兵,彭洋,刘松坡。

(2)无机胶粘接制备三维陶瓷基板技术研究,黄炎琴。

(3)电子封装用陶瓷基片材料的研究进展,张兆生,卢振亚,陈志武。

(4)陶瓷基板研究现状及新进展,陆琪,刘英坤,乔志壮,刘林杰,高岭。

(5)低温共烧陶瓷材料的研究进展,张晓辉,郑欣。

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