陶瓷基板具有熱導率高、耐熱性好、機械強度高、熱膨脹系數低等優(yōu)勢,是功率半導體器件封裝常用的散熱材料。根據封裝結構和應用要求,陶瓷基板可分為平面陶瓷基板和三維陶瓷基板兩大類。今天小編主要講述一下平面電子陶瓷基板的分類和制作技術。

根據制備原理與工藝不同,平面陶瓷基板可分為薄膜陶瓷基板(Thin Film Ceramic Substrate,TFC)、厚膜印刷陶瓷基板(Thick Printing Ceramic Substrate,TPC)、直接鍵合銅陶瓷基板(Direct Bonded Copper Ceramic Substrate,DBC)、活性金屬焊接陶瓷基板(Active Metal Brazing Ceramic Substrate,AMB)、直接電鍍銅陶瓷基板(Direct Plated Copper Ceramic Substrate,DPC)和激光活化金屬陶瓷基板(Laser Activated Metallization Ceramic Substrate,LAM)等。

薄膜陶瓷基板(TFC):薄膜陶瓷基板一般采用濺射工藝直接在陶瓷基片表面沉積金屬層。如果輔助光刻、顯影、刻蝕等工藝,還可將金屬層圖形化制備成線路,由于濺射鍍膜沉積速度低(一般低于1μm/h),如下圖：

                                                                                        薄膜陶瓷基板(TFC)產品

因此TFC基板表面金屬層厚度較小(一般小于1μm),可制備高圖形精度(線寬/線距小于10μm)陶瓷基板,主要應用于激光與光通信領域小電流器件封裝。

                                                                                        TPC基板制備工藝流程圖

厚膜印刷陶瓷基板(TPC):通過絲網印刷將金屬漿料涂覆在陶瓷基片上,干燥后經高溫燒結(溫度一般在850°C～900°C)制備TPC基板,其工藝流程如圖7所示。根據金屬漿料粘度和絲網網孔尺寸不同,制備的金屬線路層厚度一般為10μm～20μm(提高金屬層厚度可通過多次絲網印刷實現)。TFC基板制備工藝簡單,對加工設備和環(huán)境要求低,具有生產效率高、制造成本低等優(yōu)點。但是,由于絲網印刷工藝限制,TFC基板無法獲得高精度線路(最小線寬/線距一般大于100μm)。此外,為了降低燒結溫度,提高金屬層與陶瓷基片結合強度,通常在金屬漿料中添加少量玻璃相,這將降低金屬層電導率和熱導率。因此TPC基板僅在對線路精度要求不高的電子器件(如汽車電子)封裝中得到應用。

目前TPC基板關鍵技術在于制備高性能金屬漿料。金屬漿料主要由金屬粉末、有機載體和玻璃粉等組成。漿料中可供選擇的導體金屬有Au、Ag、Ni、Cu和Al等。銀基導電漿料因其具有較高的導電、導熱性能及相對低廉的價格而應用廣泛(占金屬漿料市場80%以上份額。研究表明,銀顆粒徑、形貌等對對導電層性能影響很大。如Park等人[24]通過加入入適量納米銀顆粒降低了銀漿電阻率;Zhou等人指出金屬層電阻率隨著球狀銀顆粒尺寸減小而降低,片狀銀粉(尺寸6μm)制備的金屬漿料電阻率遠小于同樣尺寸球狀銀粉制備的漿料。

金屬漿料中有機載體決定了漿料的流動性、潤濕性和粘接強度,從而直接影響絲網印刷刷質量以及后期燒結成膜的致密性和導電性。尹海鵬等人指出,當有機載體中纖維素含量為1%～4%時,加入少量氫化蓖麻油可降低有機載體剪切強度,有利于漿料印刷和流平。

加入玻璃料可降低金屬漿料燒結溫度,降低生產成本和基板應力。目前商用低溫玻璃料幾乎都含有鉛元素,對環(huán)境和人體造成傷害。Chen等人[27]采用Bi2O3-SiO2-B2O3-Al2O3-ZnO系納米玻璃粉制備金屬屬銀漿,用于太陽能電池電極制造,研究發(fā)現該漿料具有良好的潤濕性和結合強度,光伏電池光電轉換效率提高高。

直接鍵合陶瓷基板(DBC):DBC陶瓷基板制備首先在銅箔(Cu)和陶瓷基片(Al2O3或AlN)間引入氧元素,然后在1065°C形成Cu/O共晶相(金屬銅熔點為1083°C),進而與陶瓷基片和銅箔發(fā)生反應生成CuAlO2或Cu(AlO2)2,實現銅箔與陶瓷間共晶鍵合,其制備工藝和產品分別如圖9和圖10所示。由于陶瓷和銅具有良好的導熱性,且銅箔與陶瓷間共晶鍵合強度高,因此DBC基板具有較高的熱穩(wěn)定性,已廣泛應用于絕緣柵雙極二極管(IGBT)、激光器(LD)和聚焦光伏(CPPV)等器件封裝散熱中。

DBC基板銅箔厚度較大(一般為100μm～600μm),可滿足高溫、大電流等極端環(huán)境下器件封裝應用需求(為降低基板應力與翹曲,一般采用Cu-Al2O3-Cu的三明治結構,且上下銅層厚度相同)。

雖然DBC基板在實際應用中有諸多優(yōu)勢,但在制備過程中要嚴格控制共晶溫度及氧含量,對設備和工藝控制要求較高,生產成本也較高。此外,由于厚銅刻蝕限制,無法制備出高精度線路層。

在DBC基板制備過程中,氧化時間和氧化溫度是最重要的兩個參數。銅箔經預氧化后,鍵合界面能形成足夠CuxOy相潤濕Al2O3陶瓷與銅箔,具有較高的結合強度;若銅箔未經過預氧化處理,CuxOy潤濕性較差,鍵合界面會殘留大量空洞和缺陷,降低結合強度及熱導率。對于采用AlN陶瓷制備DBC基板,還需對陶瓷基片進行預氧化,先生成Al2O3薄膜,再與銅箔發(fā)生共晶反應。謝建軍等人[28]用DBC技術制備Cu/Al2O3、Cu/AlN陶瓷基板,銅箔和AlN陶瓷間結合強度超過8 N/mm,銅箔和AlN間存在厚度為2μm的過渡層,其成分主要為Al2O3、CuAlO2和Cu2O。

                                                                                    DBC陶瓷基板制備備工藝流程

活性金屬焊接陶瓷基板(AMB):AMB陶瓷基板利用含少量活性元素的活性金屬焊料實現銅箔與陶瓷基片間的焊接,其工藝流程如圖上上圖所示?；钚院噶贤ㄟ^在普通金屬焊料中添加Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta等稀土元素制備,由于稀土元素具有高活性,可提高焊料熔化后對陶瓷的潤濕性,使陶瓷表面無需金屬化就可與金屬實現焊接。AMB基板制備技術是DBC基板工藝的改進(DBC基板制備中銅箔與陶瓷在高溫下直接鍵合,而AMB基板采用活性焊料實現銅箔與陶瓷基片間鍵合),通過選用活性焊料可降低鍵合溫度(低于800°C),進而降低陶瓷基板內部熱應力。此外,AMB基板依靠活性焊料與陶瓷發(fā)生化學反應實現鍵合,因此結合強度高,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焊接質量影響較大,目前只有少數國外企業(yè)掌握了AMB基板量產技術,其樣品與截面結構如圖2所示。

                                                                                    AMB陶瓷基板制備工藝流程

                                                                                 圖2(a)AMB陶瓷基板產品及其(b)截面圖

目前,制備活性焊料是AMB基板制備關鍵技術?；钚院噶系淖畛鯃蟮朗?947年Bondley采用TiH2活性金屬法連接陶瓷與金屬,在此基礎上,Bender等人提出Ag-Cu-Ti活性焊接法?；钚院噶现饕譃楦邷鼗钚院噶?活性金屬為Ti、V和Mo等,焊接溫度1000°C～1250°C)、中溫活性焊料(活性金屬為Ag-Cu-Ti,焊接溫度700°C～800°C,保護氣體或真空下焊接)和低溫活性焊料(活性金屬為Ce、Ga和Re,焊接溫度200°C～300°C)。中高溫活性焊料成分簡單,操作容易,焊接界面機械強度高,在金屬-陶瓷焊接中得到廣泛應用。Naka等人[30]分別采用Cu60Ti34活性焊料焊接Si3N4陶瓷和NiTi50活性焊料焊接SiC,前者室溫下焊接界面剪切強度達到313.8 MPa,而后者在室溫、300°C和700°C時的焊接界面剪切強度分別為158 MPa、316 MPa和260 MPa。

由于DBC陶瓷基板制備工藝溫度高,金屬-陶瓷界面應力大,因此AMB技術越來越受到業(yè)界關注,特別是采用低溫活性焊料。如Chang等人使用Sn3.5Ag4Ti(Ce,Ga)活性焊料在250°C下分別實現了ZnS-SiO2、ITO陶瓷以及Al2O3陶瓷與Cu層焊接;Tsao等人使用Sn3.5Ag4Ti(Ce)活性焊料實現了Al與微亞弧氧化鋁(MAO-Al)間焊接。

                                                                                                   圖3 DPC陶瓷基板制備工藝流程

直接電鍍陶瓷基板(DPC):DPC陶瓷基板制備工藝如圖3所示。首先利用激光在陶瓷基片上制備通孔(孔徑一般為60μm～120μm),隨后利用超聲波清洗陶瓷基片;采用磁控濺射技術在陶瓷基片表面沉積金屬種子層(Ti/Cu),接著通過光刻、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。

從圖3可以看出,DPC陶瓷基板制備前端采用了半導體微加工技術(濺射鍍膜、光刻、顯影等),后端則采用了印刷線路板(PCB)制備技術(圖形電鍍、填孔、表面研磨、刻蝕、表面處理等),技術優(yōu)勢明顯。具體特點包括:(1)采用半導體微加工技術,陶瓷基板上金屬線路更加精細(線寬/線距可低至30μm～50μm,與線路層厚度相關),因此DPC基板非常適合對準精度要求較高的微電子器件封裝;(2)采用激光打孔與電鍍填孔技術,實現了陶瓷基板上/下表面垂直互聯,可實現電子器件三維封裝與集成,降低器件體積,如圖4(b)所示;(3)采用電鍍生長控制線路層厚度(一般為10μm～100μm),并通過研磨降低線路層表面粗糙度,滿足高溫、大電流器件封裝需求;(4)低溫制備工藝(300°C以下)避免了高溫對基片材料和金屬線路層的不利影響,同時也降低了生產成本。綜上所述,DPC基板具有圖形精度高,可垂直互連等特性,是一種真正的陶瓷電路板。

但是,DPC基板也存在一些不足:(1)金屬線路層采用電鍍工藝制備,環(huán)境污染嚴重;(2)電鍍生長速度低,線路層厚度有限(一般控制在10μm～100μm),難以滿足大電流功率器件封裝需求。目前DPC陶瓷基板主要應用于大功率LED封裝,生產廠家主要集中在我國臺灣地區(qū),但從2015年開始大陸地區(qū)已開始實現量產。

                                                                                    圖4 (a)DPC陶瓷基板產品及其(b)截面圖

金屬線路層與陶瓷基片的結合強度是影響DPC陶瓷基板可靠性的關鍵。由于金屬與陶瓷間熱膨脹系數差較大,為降低界面應力,需要在銅層與陶瓷間增加過渡層,從而提高界面結合強度。由于過渡層與陶瓷間的結合力主要以擴散附著及化學鍵為主,因此常選擇Ti、Cr和Ni等活性較高、擴散性好的金屬作為過渡層(同時作為電鍍種子層)。Lim等人采用50 W的Ar等離子束對Al2O3基片清洗10 min,隨后再濺射1μm±0.2μm的銅薄膜,二者粘結強度高于34 MPa,而未進行等離子清洗的基片與銅薄膜的粘結強度僅為7 MPa。占玙娟在濺射Ti/Ni(其厚度分別為200 nm與400 nm)薄膜之前,采用600 eV、700 mA的低能離子束對AlN陶瓷基片清洗15 min,所得到的金屬薄膜與陶瓷基片的粘結強度大于30 MPa?？梢钥闯?對陶瓷基片進行等離子清洗可大大提高與金屬薄膜間的結合強度,這主要是因為:(1)離子束去除了陶瓷基片表面的污染物;(2)陶瓷基片因受到離子束的轟擊而產生懸掛鍵,與金屬原子結合更緊密。

電鍍填孔也是DPC陶瓷基板制備的關鍵技術。目前DPC基板電鍍填孔大多采用脈沖電源,其技術優(yōu)勢包括:(1)易于填充通孔,降低孔內鍍層缺陷;(2)表面鍍層結構致密,厚度均勻;(3)可采用較高電流密度進行電鍍,提高沉積效率。陳珍等人采用脈沖電源在1.5 ASD電流密度下電鍍2 h,實現了深寬比為6.25的陶瓷通孔無缺陷電鍍。但脈沖電鍍成本高,因此近年來新型直流電鍍又重新得到重視,通過優(yōu)化電鍍液配方(包括整平劑、抑制劑等),實現盲孔或通孔高效填充。如林金堵等人通過優(yōu)化電鍍添加劑、攪拌強度及方式和電流參數,實現了通孔與盲孔電鍍。

                                                              圖5 (a)LAM基板工藝流程;(b)LAM基板加工示意圖;(c)LAM基板產品

激光活化金屬陶瓷基板(LAM):LAM基板制備利用特定波長的激光束選擇性加熱活化陶瓷基片表面,隨后通過電鍍/化學鍍完成線路層制備,工藝流程如圖5(a)所示。其技術優(yōu)勢包括:(1)無需采用光刻、顯影、刻蝕等微加工工藝,通過激光直寫制備線路層,且線寬由激光光斑決定,精度高(可低至10μm～20μm),如圖5(b)所示;(2)可在三維結構陶瓷表面制備線路層,突破了傳統(tǒng)平面陶瓷基板金屬化的限制,如圖5(c)所示;(3)金屬層與陶瓷基片結合強度高,線路層表面平整,粗糙度在納米級別。從上可以看出,雖然LAM技術可在平面陶瓷基板或立體陶瓷結構上加工線路層,但其線路層由激光束“畫”出來,難以大批量生產,導致價格極高,目前主要應用在航空航天領域異型陶瓷散熱件加工。表1對不同工藝制備的平面電子陶瓷基板性能進行了對比。

                                                                                             表1平面電子陶瓷基板性能對比