陶瓷基板又稱陶瓷電路板，由陶瓷基片和布線金屬層兩部分組成。封裝基板起著承上啟下，連接內(nèi)外散熱通道的關鍵作用，同時兼有電互連和機械支撐等功能。陶瓷熱導率高、耐熱性好、機械強度高、熱膨脹系數(shù)低，是功率半導體器件封裝常用的基板材料。根據(jù)封裝結(jié)構(gòu)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。
平面陶瓷基板
根據(jù)制備原理與工藝不同，平面陶瓷基板可分為薄膜陶瓷基板(TFC)、厚膜印刷陶瓷基板(TPC)、直接鍵合銅陶瓷基板(DBC)、活性金屬焊接陶瓷基板(AMB)、直接電鍍銅陶瓷基板(DPC)和激光活化金屬陶瓷基板(LAM)等。
1.薄膜陶瓷基板(TFC)
TFC利用磁控濺射、真空蒸鍍和電化學沉積等薄膜工藝在陶瓷基板表面形成金屬層，然后通過掩膜和刻蝕等工藝形成特定的金屬圖形。該工藝工作溫度低、布線精度高、金屬層厚度可控以及金屬陶瓷間結(jié)合強度高。常用于薄膜工藝的陶瓷基片材料主要有Al2O3、AlN 和 BeO等。薄膜陶瓷基板主要應用于電流小、尺寸小、散熱要求高、布線精度要求高的器件封裝。
2.厚膜印刷陶瓷基板(TPC)
TPC采用絲網(wǎng)印刷工藝印刷金屬布線層，制備工藝簡單，對加工設備和環(huán)境要求低，具有生產(chǎn)效率高、制造成本低等優(yōu)點。但由于絲網(wǎng)印刷工藝限制，TFC 基板無法獲得高精度線路 ，此外，為了降低燒結(jié)溫度，提高金屬層與陶瓷基片結(jié)合強度，通常在金屬漿料中添加少量玻璃相，這會不可避免地降低金屬布線層的電導率和熱導率。因此厚膜印刷陶瓷基板僅應用于對線路精度要求不高的電子器件封裝，如汽車電子封裝。
3.直接鍵合銅陶瓷基板(DBC)
DBC陶瓷基板是在1000℃以上的高溫條件下，在含氧的氮氣中加熱，使銅箔和陶瓷基板通過共晶鍵合的方式牢固結(jié)合在一起，其鍵合強度高且具有良好的導熱性和熱穩(wěn)定性。廣泛應用于絕緣雙極二極管、激光器、聚焦光伏等器件封裝散熱中。
4.活性金屬焊接陶瓷基板(AMB)
AMB陶瓷基板是DBC工藝的進一步發(fā)展，該工藝通過含有少量稀土元素的焊料來實現(xiàn)陶瓷基板與銅箔的連接，其鍵合強度高、可靠性好。該工藝相較于DBC工藝鍵合溫度低、易操作。制備工藝流程如下圖。
5.直接電鍍銅陶瓷基板(DPC)
DPC陶瓷基板利用激光在陶瓷基片上打孔，采用半導體工藝在陶瓷基片上沉積Cu種子層，通過電鍍工藝填孔，增厚金屬層，該工藝具有電路精度高、制備溫度低的特點。該工藝可實現(xiàn)陶瓷基板的垂直互連從而提高封裝密度。缺點在于金屬線路層采用電鍍工藝制備，污染環(huán)境，電鍍生長速度低，線路層厚度有限，難以滿足大電流功率器件封裝需求。DPC陶瓷基板主要應用于大功率LED封裝。制
6.激光活化金屬陶瓷基板(LAM)
LAM陶瓷基板通過激光束加熱活化需要金屬化的陶瓷基板表面，然后通過電鍍或化學鍍形成金屬化布線。該工藝無需采用光刻、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，可在三維結(jié)構(gòu)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，金屬層與陶瓷基片結(jié)合強度高，線路層表面平整，粗糙度在納米級別。但其難以大批量生產(chǎn)，價格極高，目前主要應用于航空航天領域。
三維陶瓷基板
常見的三維陶瓷基板主要有：高/低溫共燒陶瓷基板(HTCC/LTCC) 、 多層燒結(jié)三維陶瓷基板(MSC)、直接粘接三維陶瓷基板(DAC)、多層鍍銅三維陶瓷基板(MPC)以及直接成型三維陶瓷基板(DMC)等。
1.高溫共燒陶瓷基板(HTCC)
HTCC基板制備過程中先將陶瓷粉(Al2O3或AlN)加入有機黏結(jié)劑，混合均勻成為膏狀陶瓷漿料后，用刮刀將陶瓷漿料刮成片狀，再通過干燥工藝使片狀漿料形成生胚，然后根據(jù)線路層設計鉆導通孔，采用絲網(wǎng)印刷金屬漿料進行布線填孔，最后將生胚層疊加，置于高溫爐中燒結(jié)。該工藝溫度高，導電金屬選擇受限，只能采用熔點高但導電性較差的金屬，制作成本較高。受限于絲網(wǎng)印刷工藝，線路精度較差，難以滿足高精度封裝需求。但HTCC基板具有較高機械強度和熱導率，物化性能穩(wěn)定，適合大功率及高溫環(huán)境下器件封裝。工藝流程如下圖。
2.低溫共燒陶瓷基板(LTCC)
與HTCC制備工藝類似，只是在陶瓷漿料中加入了一定量玻璃粉來降低燒結(jié)溫度，同時使用導電性良好的Cu、Ag和Au等金屬漿料，LTCC基板制備溫度低，但生產(chǎn)效率高，可適應高溫、高濕及大電流應用要求，在軍工及航天電子器件中得到廣泛應用。
3.多層燒結(jié)三維陶瓷基板(MSC)
首先制備厚膜印刷陶瓷基板，隨后通過多次絲網(wǎng)印刷將陶瓷漿料印刷于平面TPC基板上，形成腔體結(jié)構(gòu)，再經(jīng)高溫燒結(jié)而成。MSC基板技術生產(chǎn)設備和工藝簡單，平面基板與腔體結(jié)構(gòu)獨立燒結(jié)成型，腔體結(jié)構(gòu)與平面基板均為無機陶瓷材料，熱膨脹系數(shù)匹配，制備過程中不會出現(xiàn)脫層、翹曲等現(xiàn)象。缺點在于，下部TPC基板線路層與上部腔體結(jié)構(gòu)均采用絲網(wǎng)印刷布線，圖形精度較低，受絲網(wǎng)印刷工藝限制，所制備的MSC基板腔體厚度有限。因此MSC三維基板僅適用于體積較小、精度要求不高的電子器件封裝。工藝流程如下圖。
4.直接粘接三維陶瓷基板(DAC)
首先加工金屬環(huán)和DPC陶瓷基板，然后采用有機粘膠將金屬環(huán)與DPC基板對準后粘接、加熱固化。工藝簡單，成本低，可實現(xiàn)批量生產(chǎn)，所有制備工藝均在低溫下進行，不會對DPC基板線路層造成損傷。但由于有機粘膠耐熱性差，固化體與金屬、陶瓷間熱膨脹系數(shù)差較大，且為非氣密性材料，目前DAC陶瓷基板主要應用于線路精度要求較高，但對耐熱性、氣密性、可靠性等要求較低的電子器件封裝。采用無機膠替代有機膠的粘接，大大提高了DAC三維陶瓷基板的耐熱性和可靠性。
5.多層電鍍?nèi)S陶瓷基板(MPC)
MPC基板采用圖形電鍍工藝制備線路層，避免基板線路粗糙問題，滿足高精度封裝要求。陶瓷基板與金屬圍壩一體化成型為密封腔體，結(jié)構(gòu)緊湊，無中間粘結(jié)層，氣密性高。MPC基板整體為全無機材料，具有良好的耐熱性、抗腐蝕、抗輻射等。金屬圍壩結(jié)構(gòu)形狀可以任意設計，圍壩頂部可制備出定位臺階，便于放置玻璃透鏡或蓋板。但干膜厚度限制，制備過程耗時長，生產(chǎn)成本高，由于電鍍圍壩銅層較厚，內(nèi)部應力大，MPC基板容易翹曲變形，影響后續(xù)的芯片封裝質(zhì)量與效率。
6.直接成型三維陶瓷基板(DMC)
首先制備平面DPC陶瓷基板，同時制備帶孔橡膠模具，將橡膠模具與 DPC陶瓷基板對準合模后，向模具腔內(nèi)填充犧牲模材料，待犧牲模材料固化后，取下橡膠模具，犧牲模粘接于DPC陶瓷基板上，并精確復制橡膠模具孔結(jié)構(gòu)特征，作為鋁硅酸鹽漿料成型模具，隨后將鋁硅酸鹽漿料涂覆于DPC陶瓷基板上并刮平，加熱固化，最后將犧牲模材料腐蝕，得到含鋁硅酸鹽免燒陶瓷圍壩的三維陶瓷基板。該工藝制備的三維陶瓷基板精度高，重復性好，適合量產(chǎn)。鋁硅酸鹽漿料加熱后脫水縮合，主要產(chǎn)物為無機聚合物，其耐熱性好，熱膨脹系數(shù)與陶瓷基片匹配，具有良好的熱穩(wěn)定性。固化體與陶瓷、金屬粘接強度高，制備的三維陶瓷基板可靠性高。圍壩厚度(腔體高度)取決于模具厚度，理論上不受限制，可滿足不同結(jié)構(gòu)和尺寸的電子器件封裝要求。
總結(jié)
●陶瓷基片材料Al2O3和AlN具有較好的綜合性能，兩者分別在低端和高端陶瓷基板市場占據(jù)主流。 ●平面陶瓷基板TFC基板主要應用于小電流光電器件封裝；TPC基板主要應用于汽車傳感器等領域；DBC和AMB基板主要應用于高功率、大溫變的IGBT封裝；DPC基板主要應用于大功率LED封裝；而LAM基板應用于航空航天領域。
●三維陶瓷基板制備技術HTCC/LTCC、MSC基板均采用絲網(wǎng)印刷與高溫燒結(jié)工藝制備，腔體可靠性高，但金屬線路層精度較差；MPC、DAC和 DMC基板通過在DPC基板上電鍍、粘接和固化成型圍壩，具有金屬線路層精度高，圍壩與基板結(jié)合強度高等優(yōu)點，有望在今后的功率器件氣密封裝、三維封裝與集成領域發(fā)揮重要作用。
