陶瓷基板七大制备技术(1)

陶瓷基板七大制备技术(1)

2021-11-05 12:28:40 0


陶瓷基板用技术不同命名有七大种类,今天详细阐述一下这个七大技术的原理,制备原理、工艺流程、技术特点和具体应用以及发展趋势。


陶瓷基板发展的背景


第一代半导体以硅 (Si)、锗 (Ge) 材料为代表,主要应用在数据运算领域,奠定了微电子产业基础。第二代半导体以砷化镓 (GaAs)、磷化铟 (InP) 为代表,主要应用于通信领域,用于制作高性能微波、毫米波及发光器件,奠定了信息产业基础。随着技术发展和应用需要的不断延伸,二者的局限性逐渐体现出来,难以满足高频、高温、高功率、高能效、耐恶劣环境以及轻便小型化等使用需求。以碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 为代表的第三代半导体材料具有禁带宽度大、临界击穿电压高、热导率高、载流子饱和漂移速度大等特点,其制作的电子器件可在 300°C 甚至更高温度下稳定工作 (又称为功率半导体或高温半导体),是固态光源 (如 LED)、激光器 (LD)、电力电子 (如IGBT)、聚焦光伏 (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。

GRISH

伴随着功率器件 (包括 LED、LD、IGBT、CPV 等) 不断发展,散热成为影响器件性能与可靠性的关键技术。对于电子器件而言,通常温度每升高 10°C,器件有效寿命就降低 30% ~ 50%。因此,选用合适的封装材料与工艺、提高器件散热能力就成为发展功率器件的技术瓶颈。以大功率 LED 封装为例,由于输入功率的 70% ~ 80% 转变成为热量 (只有约 20% ~ 30% 转化为光能),且 LED 芯片面积小,器件功率密度很大 (大于 100 W/cm2),因此散热成为大功率 LED 封装必须解决的关键问题。如果不能及时将芯片发热导出并消散,大量热量将聚集在 LED 内部,芯片结温将逐步升高,一方面使 LED 性能降低 (如发光效率降低、波长红移等),另一方面将在 LED 器件内部产生热应力,引发一系列可靠性问题 (如使用寿命、色温变化等)。


陶瓷基板的七大技术类型


随着功率器件特别是第三代半导体的崛起与应用,半导体器件逐渐向大功率、小型化、集成化、多功能等方向发展,对封装基板性能也提出了更高要求。陶瓷基板 (又称陶瓷电路板) 具有热导率高、耐热性好、热膨胀系数低、机械强度高、绝缘性好、耐腐蚀、抗辐射等特点,在电子器件封装中得到广泛应用。本文分析了常用陶瓷基片材料 (包括 Al2O3、AlN、Si3N4、BeO、SiC 和 BN 等) 的物理特性,重点对各种陶瓷基板 (包括薄膜陶瓷基板 TFC、厚膜印刷陶瓷基板 TPC、直接键合陶瓷基板 DBC、直接电镀陶瓷基板 DPC、活性金属焊接陶瓷基板AMB、激光活化金属陶瓷基板 LAM 以及各种三维陶瓷基板等) 。


陶瓷基板制备技术


陶瓷基板又称陶瓷电路板,包括陶瓷基片和金属线路层。对于电子封装而言,封装基板起着承上启下,连接内外散热通道的关键作用,同时兼有电互连和机械支撑等功能。陶瓷具有热导率高、耐热性好、机械强度高、热膨胀系数低等优势,是功率半导体器件封装常用的基板材料。根据封装结构和应用要求,陶瓷基板可分为平面陶瓷基板和三维陶瓷基板两大类。


2.1 平面陶瓷基板


根据制备原理与工艺不同,平面陶瓷基板可分为薄膜陶瓷基板 (Thin Film Ceramic Substrate,TFC)、厚膜印刷陶瓷基板 (ThickPrinting Ceramic Substrate, TPC)、直接键合铜陶瓷基板 (Direct Bonded Copper Ceramic Substrate, DBC)、活性金属焊接陶瓷基板(Active Metal Brazing Ceramic Substrate, AMB)、直接电镀铜陶瓷基板(Direct Plated Copper Ceramic Substrate, DPC) 和激光活化金属陶瓷基板 (LaserActivated Metallization Ceramic Substrate, LAM) 等。


薄膜陶瓷基板 (TFC)的制备原理、工艺流程和技术特点


薄膜陶瓷基板一般采用溅射工艺直接在陶瓷基片表面沉积金属层。如果辅助光刻、显影、刻蚀等工艺,还可将金属层图形化制备成线路,如图 6 所示。由于溅射镀膜沉积速度低 (一般低于 1 μm/h),因此 TFC 基板表面金属层厚度较小 (一般小于 1 μm),可制备高图形精度 (线宽/线距小于 10 μm) 陶瓷基板,主要应用于激光与光通信领域小电流器件封装。

GRISH


厚膜印刷陶瓷基板 (TPC)技术工艺和特点


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°C ~ 900°C) 制备 TPC 基板,其工艺流程如图 7 所示。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 μm ~ 20 μm (提高金属层厚度可通过多次丝网印刷实现)。TFC 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,TFC 基板无法获得高精度线路 (最小线宽/线距一般大于 100 μm)。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。TPC 基板样品及其截面图如图 8 所示。

GRISH


GRISH

目前 TPC 基板关键技术在于制备高性能金属浆料。金属浆料主要由金属粉末、有机载体和玻璃粉等组成。浆料中可供选择的导体金属有 Au、Ag、Ni、Cu 和 Al 等。银基导电浆料因其具有较高的导电、导热性能及相对低廉的价格而应用广泛 (占金属浆料市场 80% 以上份额)。研究表明,银颗粒粒径颗粒粒径、形貌等对导电层性能影响很大。如Park等人通过加入适量纳米银颗粒降低了银浆电阻率:Zhou等人指出金属层电阻率随着球状银颗粒尺寸减小而降低,片状银粉(尺寸6m)制备的金属浆料电阻率远小于同样尺寸球状银粉制备的浆料。


直接键合陶瓷基板(DBC)工艺流程和技术特点


DBC陶瓷基板制备首先在铜箔(Cu)和陶瓷基片(Al2O3或AN间引入氧元素,然后在1065°C形成CuO共晶相(金属铜熔点为1083°C),进而与陶瓷基片和铜箔发生反应生成CuAO2或Cu(AO2)2,实现铜箔与陶瓷间共晶键合,其制备工艺和产品分别如图9和图10所示。由于陶瓷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二极管(GBT)、激光器(LD)和聚焦光伏(CPV)等器件封装散热中。


DBC基板铜箔厚度较大(一般为100μm-600μm),可满足高温、大电流等极端环境下器件封装应用需求(为降低基板应力与制曲,一船采用C1-A1O2C的三明治结构.日上下铜层厚度相同)


虽然DBC基板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在DBC基板制备过程中,氧化时间和氧化温度是最重要的两个参数。铜箔经预氧化后,键合界面能形成足够 CuxOy 相润湿 Al2O3 陶瓷与铜箔,具有较高的结合强度;若铜箔未经过预氧化处理,CuxOy 润湿性较差,键合界面会残留大量空洞和缺陷,降低结合强度及热导率。对于采用 AlN 陶瓷制备 DBC 基板,还需对陶瓷基片进行预氧化,先生成 Al2O3 薄膜,再与铜箔发生共晶反应。谢建军等人用 DBC 技术制备 Cu/Al2O3、Cu/AlN 陶瓷基板,铜箔和 AlN 陶瓷间结合强度超过 8 N/mm,铜箔和 AlN 间存在厚度为 2 μm 的过渡层,其成分主要为 Al2O3、CuAlO2 和 Cu2O。

GRISH

目前,制备活性焊料是 AMB 基板制备关键技术。活性焊料的最初报道是 1947 年 Bondley 采用TiH2 活性金属法连接陶瓷与金属,在此基础上,Bender 等人提出 Ag-Cu-Ti 活性焊接法。活性焊料主要分为高温活性焊料 (活性金属为 Ti、V 和 Mo 等,焊接温度 1000°C ~ 1250°C)、中温活性焊料(活性金属为 Ag-Cu-Ti,焊接温度 700°C ~ 800°C,保护气体或真空下焊接) 和低温活性焊料 (活性金属为 Ce、Ga 和 Re,焊接温度 200°C ~ 300°C)。中高温活性焊料成分简单,操作容易,焊接界面机械强度高,在金属-陶瓷焊接中得到广泛应用。Naka 等人分别采用 Cu60Ti34 活性焊料焊接 Si3N4陶瓷和 NiTi50 活性焊料焊接 SiC,前者室温下焊接界面剪切强度达到 313.8 MPa,而后者在室温、300°C和 700°C 时的焊接界面剪切强度分别为 158 MPa、316 MPa 和 260 MPa。

GRISH

GRISH



由于 DBC 陶瓷基板制备工艺温度高,金属-陶瓷界面应力大,因此 AMB 技术越来越受到业界关注,特别是采用低温活性焊料。如 Chang 等人使用 Sn3.5Ag4Ti(Ce,Ga) 活性焊料在 250°C 下分别实现了 ZnS-SiO2、ITO 陶瓷以及 Al2O3 陶瓷与 Cu 层焊接;Tsao 等人使用 Sn3.5Ag4Ti(Ce) 活性焊料实现了 Al 与微亚弧氧化铝 (MAO-Al) 间焊接。


直接电镀陶瓷基板 (DPC)技术工艺和特点


DPC 陶瓷基板制备工艺如图 13 所示。首先利用激光在陶瓷基片上制备通孔 (孔径一般为 60 μm ~ 120 μm),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。


从图 13 可以看出,DPC 陶瓷基板制备前端采用了半导体微加工技术 (溅射镀膜、光刻、显影等),后端则采用了印刷线路板 (PCB) 制备技术 (图形电镀、填孔、表面研磨、刻蚀、表面处理等),技术优势明显。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 μm ~ 50 μm,与线路层厚度相关),因此 DPC 基板非常适合对准精度要求较高的微电子器件封装;(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,如图 14 (b) 所示;(3) 采用电镀生长控制线路层厚度 (一般为 10 μm ~ 100 μm),并通过研磨降低线路层表面粗糙度,满足高温、大电流器件封装需求;(4) 低温制备工艺 (300°C 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。综上所述,DPC 基板具有图形精度高,可垂直互连等特性,是一种真正的陶瓷电路板。


但是,DPC 基板也存在一些不足:(1) 金属线路层采用电镀工艺制备,环境污染严重;(2) 电镀生长速度低,线路层厚度有限 (一般控制在 10 μm ~ 100 μm),难以满足大电流功率器件封装需求。目前 DPC 陶瓷基板主要应用于大功率 LED 封装,生产厂家主要集中在我国台湾地区,但从 2015 年开始大陆地区已开始实现量产。

GRISH

金属线路层与陶瓷基片的结合强度是影响 DPC 陶瓷基板可靠性的关键。由于金属与陶瓷间热膨胀系数差较大,为降低界面应力,需要在铜层与陶瓷间增加过渡层,从而提高界面结合强度。由于过渡层与陶瓷间的结合力主要以扩散附着及化学键为主,因此常选择 Ti、Cr 和 Ni 等活性较高、扩散性好的金属作为过渡层 (同时作为电镀种子层)。Lim 等人采用 50 W 的 Ar 等离子束对 Al2O3 基片清洗 10 min,随后再溅射 1 μm ± 0.2 μm 的铜薄膜,二者粘结强度高于 34 MPa,而未进行等离子清洗的基片与铜薄膜的粘结强度仅为 7 MPa。占玙娟在溅射 Ti/Ni (其厚度分别为 200 nm 与 400 nm)薄膜之前,采用 600 eV、700 mA 的低能离子束对 AlN 陶瓷基片清洗 15 min,所得到的金属薄膜与陶瓷基片的粘结强度大于 30 MPa。可以看出,对陶瓷基片进行等离子清洗可大大提高与金属薄膜间的结合强度,这主要是因为:(1) 离子束去除了陶瓷基片表面的污染物;(2) 陶瓷基片因受到离子束的轰击而产生悬挂键,与金属原子结合更紧密。


电镀填孔也是 DPC 陶瓷基板制备的关键技术。目前 DPC 基板电镀填孔大多采用脉冲电源,其技术优势包括:(1) 易于填充通孔,降低孔内镀层缺陷;(2) 表面镀层结构致密,厚度均匀;(3) 可采用较高电流密度进行电镀,提高沉积效率。陈珍等人采用脉冲电源在 1.5 ASD 电流密度下电镀2 h,实现了深宽比为 6.25 的陶瓷通孔无缺陷电镀。但脉冲电镀成本高,因此近年来新型直流电镀又重新得到重视,通过优化电镀液配方 (包括整平剂、抑制剂等),实现盲孔或通孔高效填充。如林金堵等人通过优化电镀添加剂、搅拌强度及方式和电流参数,实现了通孔与盲孔电镀。

GRISH

激光活化金属陶瓷基板 (LAM)工艺流程和技术特点


LAM 基板制备利用特定波长的激光束选择性加热活化陶瓷基片表面,随后通过电镀/化学镀完成线路层制备,工艺流程如图 15 (a) 所示。其技术优势包括:(1) 无需采用光刻、显影、刻蚀等微加工工艺,通过激光直写制备线路层,且线宽由激光光斑决定,精度高 (可低至 10 μm ~ 20 μm),如图 15 (b) 所示;(2) 可在三维结构陶瓷表面制备线路层,突破了传统平面陶瓷基板金属化的限制,如图 15 (c) 所示;(3) 金属层与陶瓷基片结合强度高,线路层表面平整,粗糙度在纳米级别。从上可以看出,虽然 LAM 技术可在平面陶瓷基板或立体陶瓷结构上加工线路层,但其线路层由激光束“画”出来,难以大批量生产,导致价格极高,目前主要应用在航空航天领域异型陶瓷散热件加工。


表 2 对不同工艺制备的平面陶瓷基板性能进行了对比。

GRISH


GRISH

GRISH

更多产品信息欢迎您进店选购!

https://bjgrish1.1688.com

关于国瑞升GRISH®--精密抛光材料专家&专注精密抛光20年

北京国瑞升科技股份有限公司成立于2001年6月,是国内专业从事研发、生产、经营超精密研磨抛光材料的国家级高新技术企业,是具有多项国际国内自主知识产权、多年产品技术研发经验和众多客户应用实践沉淀的业界先驱。

( https://www.bjgrish.com )


国瑞升GRISH®以精准服务为客户提供专业化、定制化的研磨抛光解决方案,以及多种配套化、系列化的精密研磨抛光材料产品、工艺和设备,专注解决客户超精密研磨抛光的高端需求,助力客户成功!


其中国瑞升GRISH®研发生产的超精密抛光膜&抛光带、静电植砂研磨带&抛光带、3D立体凹凸磨料、单晶&多晶&类多晶--金刚石微粉及对应研磨液、CMP抛光液、研磨助剂等多种超精密抛光耗材,广泛应用于光通信、汽车、半导体、LED、蓝宝石、精密陶瓷、LCD、3C电子、辊轴、口腔医疗等多个行业,并已出口至美国、英国、德国、俄罗斯、日本、韩国、印度、巴西等多个国家和地区。


GRISH

欢迎您关注

GRISH

国瑞升GRISH®

以专业化、系列化、

配套化、定制化的产品,

精准服务,助客户成功!

电话
产品中心
应用行业
样品索取