電子封裝陶瓷基板金屬化線路工藝的優(yōu)劣勢(shì)分享

電子封裝使用陶瓷基板封裝之前都需要對(duì)陶瓷基板金屬化，使得更加適應(yīng)單子封裝的需要。金屬在高溫下對(duì)陶瓷表面的潤(rùn)濕能力決定了金屬與陶瓷之間的結(jié)合力，良好的結(jié)合力是封裝性能穩(wěn)定性的重要保證。因此，如何在陶瓷表面實(shí)施金屬化并改善二者之間的結(jié)合力是陶瓷金屬化的工藝重點(diǎn)。陶瓷基片到陶瓷基板需要做金屬化工藝，今天小編主要分享電子封裝陶瓷基板金屬化工藝的特點(diǎn)。

“陶瓷基片”變“陶瓷基板”的各大金屬化工藝以及優(yōu)劣勢(shì)

一，薄膜金屬化技術(shù)

薄膜技術(shù)（ThinFilmCeramicSubstrate，TFC）是指采用蒸鍍、光刻與刻蝕等方法制備所需材料膜層的技術(shù)，薄膜的含義不只是膜的實(shí)際厚度，更多的是指在基板上的膜產(chǎn)生方式。厚膜技術(shù)是“加法技術(shù)”，而薄膜技術(shù)是“減法技術(shù)”。使用光刻與刻蝕等工藝使薄膜技術(shù)得到的圖形特征尺寸更小，線條更清晰，更適合高密度和高頻率環(huán)境。

薄膜電路的線條細(xì)（最小線寬2μm），精度高（線寬誤差2μm），但也正因“細(xì)小的線”不容起伏，薄膜電路對(duì)基片的表面質(zhì)量要求高，所以用于薄膜電路的基板純度要求高（常見的是99.6%純度的氧化鋁），同時(shí)我們知道陶瓷的高純度也就代表的加工難度及成本的攀升。此外，細(xì)小的線，使其應(yīng)用于大功率大電流存在較困難，因此主要應(yīng)用通信領(lǐng)域小電流器件封裝。

二，厚膜金屬化技術(shù)

厚膜印刷陶瓷基板（Thick Printing Ceramic Substrate，TPC）是指采用絲網(wǎng)印刷的方式，將導(dǎo)電漿料直接涂布在陶瓷基體上，然后經(jīng)高溫?zé)Y(jié)使金屬層牢固附著于陶瓷基體上的制作工藝。根據(jù)金屬漿料粘度和絲網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸不同，制備的金屬線路層厚度一般為幾微米到數(shù)十微米的膜層（提高金屬層厚度可通過(guò)多次絲網(wǎng)印刷實(shí)現(xiàn)）。

優(yōu)缺點(diǎn)：由于絲網(wǎng)印刷工藝限制，TPC基板無(wú)法獲得高精度線路，因此TPC基板僅在對(duì)線路精度要求不高的電子器件封裝中得到應(yīng)用。不過(guò)厚膜電路雖然精度粗糙（最小線寬/線距一般大于100μm），但其優(yōu)勢(shì)在于性能可靠，對(duì)加工設(shè)備和環(huán)境要求低，具有生產(chǎn)效率高，設(shè)計(jì)靈活，投資小，成本低，多應(yīng)用于電壓高、電流大、大功率的場(chǎng)合。

基材：厚膜集成電路最常用的基片是含量為96％和85％的氧化鋁陶瓷；當(dāng)要求導(dǎo)熱性特別好時(shí)，可采用氧化鈹陶瓷。氮化鋁陶瓷雖然導(dǎo)熱性能也很好，但大多數(shù)金屬對(duì)氮化鋁陶瓷的潤(rùn)濕性并不理想，因此使用氮化鋁作為基片材料時(shí)需要特殊工藝支持，常見的手段有：①是利用玻璃料作為粘結(jié)相使金屬層與AlN層達(dá)到機(jī)械結(jié)合；②是添加與AlN能夠反應(yīng)的物質(zhì)作為粘結(jié)相，通過(guò)與AlN反應(yīng)達(dá)到化學(xué)結(jié)合。

導(dǎo)電漿料：厚膜導(dǎo)體漿料的選擇是決定厚膜工藝的關(guān)鍵因素，它由功能相（即金屬粉末，粒徑在2μm以內(nèi)）、粘結(jié)相（粘結(jié)劑）和有機(jī)載體所組成。常見的金屬粉末有Au、Pt、Au/Pt、Au/Pd、Ag、Ag/Pt、Ag/Pd、Cu、Ni、Al及W等金屬，其中以Ag、Ag/Pd和Cu漿料居多。粘結(jié)劑一般是玻璃料或金屬氧化物或是二者的混合物，其作用是連結(jié)陶瓷與金屬并決定著厚膜漿料對(duì)基體陶瓷的附著力，是厚膜漿料制作的關(guān)鍵。有機(jī)載體的作用主要是分散功能相和粘結(jié)相，同時(shí)使厚膜漿料保持一定的粘度，為后續(xù)的絲網(wǎng)印刷做準(zhǔn)備，在燒結(jié)過(guò)程中會(huì)逐漸揮發(fā)。

三，DPC直接鍍銅

直接鍍銅（Directplatingcopper，DPC）工藝是在陶瓷薄膜工藝加工基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的陶瓷電路加工工藝。區(qū)別于傳統(tǒng)的厚膜和薄膜加工工藝，它的加工更加強(qiáng)化電化學(xué)加工要求。通過(guò)物理方法實(shí)現(xiàn)陶瓷表面金屬化以后，采用電化學(xué)加工導(dǎo)電銅和功能膜層。

DPC陶瓷基板制備工藝.png

DPC陶瓷基板制備工藝

工藝簡(jiǎn)述：激光在陶瓷基片上制備通孔（利用激光對(duì)DPC基板切孔與通孔填銅后，可實(shí)現(xiàn)陶瓷基板上下表面的互聯(lián)，從而滿足電子器件的三維封裝要求?？讖揭话銥?0μm~120μm），隨后利用超聲波清洗陶瓷基片；采用磁控濺射技術(shù)在陶瓷基片表面沉積金屬種子層(Ti/Cu)，接著通過(guò)光刻、顯影完成線路層制作；采用電鍍填孔和增厚金屬線路層，并通過(guò)表面處理提高基板可焊性與抗氧化性，最后去干膜、刻蝕種子層完成基板制備。

工藝優(yōu)劣勢(shì)：與其他陶瓷表面金屬化方法相比，DPC工藝操作溫度低，一般在300℃以下，降低了制造工藝成本，同時(shí)有效避免了高溫對(duì)材料的不利影響。DPC基板利用黃光微影技術(shù)制作圖形電路，線寬可控制在20～30μm，表面平整度可達(dá)3μm以下，圖形精度誤差可控制在±1%之內(nèi)，非常適合對(duì)電路精度要求較高的電子器件封裝。其不足之處在于電鍍沉積銅層厚度有限，電鍍廢液污染大，金屬層與陶瓷間結(jié)合強(qiáng)度稍低。

四，直接覆銅（DBC）

直接鍵合陶瓷基板亦稱直接敷銅陶瓷基板，（Direct Bonded Copper Ceramic Substrate，DBC）：在陶瓷表面(主要是Al2O3和AlN)鍵合銅箔的一種金屬化方法。

DBC陶瓷基板制備工藝.png

DBC陶瓷基板制備工藝

其基本原理是在Cu與陶瓷之間引進(jìn)氧元素，然后在1065~1083℃時(shí)形成Cu/O共晶液相，進(jìn)而與陶瓷基體及銅箔發(fā)生反應(yīng)生成CuAlO2或Cu(AlO2)2，并在中間相的作用下實(shí)現(xiàn)銅箔與基體的鍵合。因AlN屬于非氧化物陶瓷，其表面敷銅的關(guān)鍵在于在其表面形成一層Al2O3過(guò)渡層，并在過(guò)渡層的作用下實(shí)現(xiàn)銅箔與基體陶瓷的有效鍵合。

雙面氧化鋁陶瓷覆銅板板厚0.635 銅厚105um.jpg

優(yōu)劣勢(shì)：DBC熱壓鍵合的銅箔一般較厚，為100~600μm，具有強(qiáng)大的載流能力，可滿足高溫、大電流等極端環(huán)境的器件封應(yīng)用要求，是電力電子模塊中久經(jīng)考驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)器件，在IGBT和LD封裝領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)明顯，不過(guò)，DBC表面圖形最小線寬一般大于100μm，不適合精細(xì)線路的制作。

五，活性金屬焊接技術(shù)

由于DBC陶瓷基板制備工藝溫度高，金屬陶瓷界面應(yīng)力大，作為活性DBC的升級(jí)版本，活性金屬焊接陶瓷基板（Active Metal Brazing Ceramic Substrate，AMB）的金屬焊料中加入了少量活性元素（Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta等稀土元素制備），可大大降低銅箔與陶瓷基片間的鍵合溫度。

優(yōu)劣勢(shì)：AMB基板依靠活性焊料與陶瓷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)鍵合，因此結(jié)合強(qiáng)度高，可靠性好。但是該方法成本較高，合適的活性焊料較少，且焊料成分與工藝對(duì)焊接質(zhì)量影響較大。

六，共燒技術(shù)

共燒多層陶瓷基板因利用厚膜技術(shù)將信號(hào)線、微細(xì)線等無(wú)源元件埋入基板中能夠滿足集成電路的諸多要求，故在近幾年獲得了廣泛的關(guān)注。

共燒法有兩種，一種是高溫共燒（HTCC），另一種是低溫共燒（LTCC），兩者工藝流程基本相同，主要生產(chǎn)工藝流程均為漿料配制、流延生帶、干燥生坯、鉆導(dǎo)通孔、網(wǎng)印填孔、網(wǎng)印線路、疊層燒結(jié)以及最后的切片等后處理過(guò)程。兩種共燒法雖流程大致相同，但燒結(jié)的溫度卻相差很大。

典型的多層陶瓷基板的制造過(guò)程.png