陶瓷基板七大制备技术(2)

陶瓷基板七大制备技术(2)

2021-11-08 17:42:55 0

2.2 三维陶瓷基板制备技术工艺和特点


 许多微电子器件 (如加速度计、陀螺仪、深紫外 LED 等) 芯片对空气、湿气、灰尘等非常敏感。如 LED 芯片理论上可工作 10 万小时以上,但水汽侵蚀会大大缩短其寿命 (甚至降低至几千小时)。为了提高这些微电子器件性能 (特别是可靠性),必须将其芯片封装在真空或保护气体中,实现气密封装 (芯片置于密闭腔体中,与外界氧气、湿气、灰尘等隔绝)。因此,必须首先制备含腔体 (围坝)结构的三维基板,满足封装应用需求。目前,常见的三维陶瓷基板主要有:高/低温共烧陶瓷基板(High/Low Temperature Co-fired Ceramic Substrate, HTCC/LTCC) 、 多 层 烧 结 三 维 陶 瓷 基 板 (MultilayerSintering Ceramic Substrate,MSC)、直接粘接三维陶瓷基板 (Direct Adhere Ceramic Substrate,DAC)、多层镀铜三维陶瓷基板(Multilayer Plated Ceramic Substrate,MPC) 以及直接成型三维陶瓷基板(Direct Molding Ceramic Substrate,DMC) 等。 


 高/低温共烧陶瓷基板 (HTCC/LTCC):HTCC 基板制备过程中先将陶瓷粉 (Al2O3 或 AlN) 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 (1600°C) 中烧结而成,如图 16 所示。由于 HTCC 基板制备工艺温度高,因此导电金属选择受限,只能采用熔点高但导电性较差的金属 (如 W、Mo 及 Mn 等),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。但 HTCC 基板具有较高机械强度和热导率 [20 W/(m·K) ~ 200 W/(m·K)],物化性能稳定,适合大功率及高温环境下器件封装,如图 17 (a) 所示。Cheah 等人将 HTCC 工艺应用于微型蒸汽推进器,制备的微型加热器比硅基推进器效率更高,能耗降低 21%以上。

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为了降低 HTCC 制备工艺温度,同时提高线路层导电性,业界开发了 LTCC 基板。与 HTCC 制备工艺类似,只是 LTCC 制备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,如图 17 (b) 所示。LTCC 基板制备温度低,但生产效率高,可适应高温、高湿及大电流应用要求,在军工及航天电子器件中得到广泛应用。Yuan 等人选用CaO-BaO-Al2O3-B2O3-SiO2/AlN 体系原料,当 AlN 组分含量为 40% 时,研制的 LTCC 基板热导率为 5.9W/(m·K),介电常数为 6.3,介电损耗为 4.9 × 10-3,弯曲强度高达 178 MPa。Qing 等人采用Li2O-Al2O3-SiO2/Al2O3 体系原料,制备的 LTCC 基板抗弯强度为 155 MPa,介电损耗为 2.49 × 10-3。


虽然 LTCC 基板具有上述优势,但由于在陶瓷浆料中添加了玻璃粉,导致基板热导率偏低 [一般仅为 3 W/(m·K) ~ 7 W/(m·K)]。此外,与 HTCC 一样,由于 LTCC 基板采用丝网印刷技术制作金属线路,有可能因张网问题造成对位误差,导致金属线路层精度低;而且多层陶瓷生胚叠压烧结时还存在收缩比例差异问题,影响成品率,一定程度上制约了 LTCC 基板技术发展。Yan 等人经过表面处理将 LTCC 基板翘曲由 150 μm ~ 250 μm 降低至 80 μm ~ 110 μm;Sim 等人通过改进 LTCC基板封装形式,去掉芯片与金属基底间绝缘层,模拟和实验结果显示其热阻降低为 7.3 W/(m·K),满足大功率 LED 封装需求。


多层烧结三维陶瓷基板 (MSC)技术工艺和特点


与 HTCC/LTCC 基板一次成型制备三维陶瓷基板不同,台湾阳升公司采用多次烧结法制备了 MSC 基板。其工艺流程如图 18 所示,首先制备厚膜印刷陶瓷基板(TPC),随后通过多次丝网印刷将陶瓷浆料印刷于平面 TPC 基板上,形成腔体结构,再经高温烧结而成,得到的 MSC 基板样品如图 19 所示。由于陶瓷浆料烧结温度一般在 800°C 左右,因此要求下部的 TPC 基板线路层必须能耐受如此高温,防止在烧结过程中出现脱层或氧化等缺陷。由上文可知,TPC 基板线路层由金属浆料高温烧结 (一般温度为 850°C ~ 900°C) 制备,具有较好的耐高温性能,适合后续采用烧结法制备陶瓷腔体。MSC 基板技术生产设备和工艺简单,平面基板与腔体结构独立烧结成型,且由于腔体结构与平面基板均为无机陶瓷材料,热膨胀系数匹配,制备过程中不会出现脱层、翘曲等现象。其缺点在于,下部 TPC 基板线路层与上部腔体结构均采用丝网印刷布线,图形精度较低;同时,因受丝网印刷工艺限制,所制备的 MSC 基板腔体厚度 (深度) 有限。因此MSC 三维基板仅适用于体积较小、精度要求不高的电子器件封装。

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直接粘接三维陶瓷基板 (DAC)工艺流程和特点:


上述 HTCC、LTCC 及 MSC 基板线路层都采用丝网印刷制备,精度较低,难以满足高精度、高集成度封装要求,因此业界提出在高精度 DPC 陶瓷基板上成型腔体制备三维陶瓷基板。由于 DPC 基板金属线路层在高温 (超过 300°C) 下会出现氧化、起泡甚至脱层等现象,因此基于 DPC 技术的三维陶瓷基板制备必须在低温下进行。台湾瑷司柏公司 (ICP) 提出采用胶粘法制备三维陶瓷基板,样品如图 20 所示。首先加工金属环和 DPC 陶瓷基板,然后采用有机粘胶将金属环与 DPC 基板对准后粘接、加热固化,如图 21 所示。由于胶液流动性好,因此涂胶工艺简单,成本低,易于实现批量生产,且所有制备工艺均在低温下进行,不会对 DPC 基板线路层造成损伤。但是,由于有机粘胶耐热性差,固化体与金属、陶瓷间热膨胀系数差较大,且为非气密性材料,目前 DAC 陶瓷基板主要应用于线路精度要求较高,但对耐热性、气密性、可靠性等要求较低的电子器件封装。

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为了解决上述不足,业界进一步提出采用无机胶替代有机胶的粘接技术方案,大大提高了 DAC三维陶瓷基板的耐热性和可靠性。其技术关键是选用无机胶,要求其能在低温 (低于 200°C) 下固化;固化体耐热性好 (能长期耐受 300°C 高温),与金属、陶瓷材料粘接性好 (剪切强度大于 10 MPa),同时与金属环 (围坝) 和陶瓷基片材料热膨胀系数匹配 (降低界面热应力)。美国科锐公司 (Cree) XRE 系列产品封装基板既采用了该技术方案,如图 22。


多层电镀三维陶瓷基板 (MPC)工艺流程和特点


为了发挥 DPC 陶瓷基板技术优势 (高图形精度、垂直互连等),吴朝晖等人提出采用多次/层电镀增厚技术,在 DPC 陶瓷基板上直接制备具有厚铜围坝结构的三维陶瓷基板,如图 23 (a) 所示。其制备工艺与 DPC 基板类似,只是在完成平面 DPC 基板线路层加工后,再通过多次光刻、显影和图形电镀完成围坝制备 (厚度一般为 500μm ~ 700 μm),如图 24 所示。需要指出的是,由于干膜厚度有限 (一般为 50 μm ~ 80 μm),需要反复进行光刻、显影、图形电镀等工艺;同时为了提高生产效率,需要在电镀增厚围坝时提高电流密度,导致镀层表面粗糙,需要不断进行研磨,保持镀层表面平整与光滑。


MPC 基板采用图形电镀工艺制备线路层,避免了HTCC/LTCC 与 TPC 基板线路粗糙问题,满足高精度封装要求。陶瓷基板与金属围坝一体化成型为密封腔体,结构紧凑,无中间粘结层,气密性高。MPC 基板整体为全无机材料,具有良好的耐热性,抗腐蚀、抗辐射等。金属围坝结构形状可以任意设计,围坝顶部可制备出定位台阶,便于放置玻璃透镜或盖板,目前已成功应用于深紫外 LED封装和 VCSEL 激光器封装,已部分取代 LTCC 基板。其缺点在于:由于干膜厚度限制,制备过程需要反复进行光刻、显影、图形电镀与表面研磨,耗时长 (厚度为 600 μm 围坝需要电镀 10 h 以上),生产成本高;此外,由于电镀围坝铜层较厚,内部应力大,MPC 基板容易翘曲变形,影响后续的芯片封装质量与效率。


直接成型三维陶瓷基板 (DMC)工艺流程和特点


为了提高三维陶瓷基板生产效率,同时保证基板线路精度与可靠性,陈明祥等人提出制备含免烧陶瓷围坝的三维陶瓷基板,其样品如图 25 所示。为了制备具有高结合强度、高耐热性的陶瓷围坝,实验采用碱激发铝硅酸盐浆料(alkali-activated aluminosilicate cement paste, ACP) 作为围坝结构材料。围坝由偏高岭土在碱性溶液中脱水缩合而成,具有低温固化、耐热性好 (可长期耐受 500°C 高温)、与金属/陶瓷粘接强度高、抗腐蚀,物化性能稳定等优点,满足电子封装应用需求。DMC 基板制备工艺流程如图 26 所示,首先制备平面 DPC 陶瓷基板,同时制备带孔橡胶模具;将橡胶模具与 DPC 陶瓷基板对准合模后,向模具腔内填充牺牲模材料;待牺牲模材料固化后,取下橡胶模具,牺牲模粘接于 DPC 陶瓷基板上,并精确复制橡胶模具孔结构特征,作为铝硅酸盐浆料成型模具;随后将铝硅酸盐浆料涂覆于 DPC 陶瓷基板上并刮平,加热固化,最后将牺牲模材料腐蚀,得到含铝硅酸盐免烧陶瓷围坝的三维陶瓷基板。

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铝硅酸盐浆料固化温度低,对 DPC 陶瓷基板线路层影响极小,并与 DPC 基板制备工艺兼容。橡胶具有易加工、易脱模以及价格低廉等特点,能精确复制围坝结构 (腔体) 形状与尺寸,保证围坝加工精度。实验结果表明,腔体深度、直径加工误差均小于 30 μm,说明该工艺制备的三维陶瓷基板精度高,重复性好,适合量产。铝硅酸盐浆料加热后脱水缩合,主要产物为无机聚合物,其耐热性好,热膨胀系数与陶瓷基片匹配,具有良好的热稳定性;固化体与陶瓷、金属粘接强度高,制备的三维陶瓷基板可靠性高。围坝厚度 (腔体高度) 取决于模具厚度,理论上不受限制,可满足不同结构和尺寸的电子器件封装要求。


表 3 比较了上述不同三维陶瓷基板性能的一些基本性能。与表 2 重复或类似的数据不再列入。

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 陶瓷基板发展趋势分析


陶瓷基板集成化:一般而言,TPC、DBC 和 AMB 陶瓷基板只适合制备单面线路层 (或双面线路层,但上下层不导通)。如果要实现上下层导通,需要先激光打孔 (孔径一般大于 200 μm),然后孔内填充金属浆料后烧结而成,孔内金属层导电、导热性差,基板可靠性低。HTCC/LTCC 基板采用多层生胚片叠加 (金属通孔对准) 后烧结制备,因此可实现基板内垂直互连,提高封装集成度,但HTCC/LTCC 基板电阻率较大,电流通载能力较低。DPC 陶瓷基板可以采用激光打孔 (孔径一般为60 μm ~ 120 μm) 和电镀填孔技术制备金属通孔,由于孔内电镀填充致密铜柱,导电导热性能优良,因而可实现陶瓷基板上下线路层垂直互连。在此基础上,通过电镀增厚等技术制备围坝,可得到含围坝结构的三维陶瓷基板;如果采用焊接/粘接技术实现多片 DPC 基板垂直集成,则可以进一步得到多层陶瓷基板 (Multilayer Ceramic Substrate, MLC,如图 37),满足功率器件三维封装和异质集成需求。

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陶瓷基板逐渐往高功率、高集成化、高精密、精细化方方向发展。对技术的要求越来越高,也讲促进陶瓷基板不断上进。

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