陶瓷基板的发展概况

陶瓷基板的发展概况 The pony was revised in January 2021 陶陶 瓷瓷 基基 板板 在在L L E E D D电电 子子 领领 域域 应应 用用 现现 状状 与与 发发 展展 简简 要要 分分 析析 摘要摘要：陶瓷基板材料以其优良的导热性和气密性，广泛应用于功率电子、电子封装、混合 微电子与多芯片模块等领域。本文简要介绍了目前陶瓷基板的现状与以后的发展。 关键词：关键词： 前文摘要前文摘要：陶瓷基板材料以其优良的导热性和气密性，广泛应用于功率电子、电子、混合 微电子与多模块等领域。本文简要介绍了目前陶瓷基板的现状与以后的发展。 1 1 塑料和陶瓷材料的比较塑料和陶瓷材料的比较 塑料尤其是环氧树脂由於比较好的经济性，至目前为止依然占据整个电子市场的统治地 位，但是许多特殊领域比如高温、线膨胀系数不匹配、气密性、稳定性、机械性能等方面 显然不适合，即使在环氧树脂中添加大量的有机溴化物也无济于事。 相对于塑料材料，陶瓷材料也在电子工业扮演者重要的角色，其电阻高，高频特性突出， 且具有热导率高、化学稳定性佳、热稳定性和熔点高等优点。在电子线路的设计和制造非 常需要这些的性能，因此陶瓷被广泛用于不同厚膜、薄膜和电路的基板材料，还可以用作 绝缘体，在热性能要求苛刻的电路中做导热通路以及用来制造各种电子元件。 2 2 各种陶瓷材料的比较各种陶瓷材料的比较 Al2O3 Al2O3 到目前为止，氧化铝基板是电子工业中最常用的基板材料，因为在机械、热、电性能上相 对於大多数其他氧化物陶瓷，强度及化学稳定性高，且原料来源丰富，适用于各种各样的 技术制造以及不同的形状。 BeO BeO 具有比金属铝还高的热导率，应用于需要高热导的场合，但温度超过 300℃后迅速降低， 最重要的是由于其毒性限制了自身的发展。 AlN AlN AlN 有两个非常重要的性能值得注意：一个是高的热导率，一个是与 Si 相匹配的膨胀系 数。缺点是即使在表面有非常薄的氧化层也会对热导率产生影响，只有对材料和工艺进行 严格控制才能制造出一致性较好的 AlN 基板。目前大规模的 AlN 生产技术国内还是不成 熟，相对于 Al2O3，AlN 价格相对偏高许多，这个也是制约其发展的瓶颈。 综合以上原因，可以知道，氧化铝陶瓷由于比较优越的综合性能，在目前微电子、功率电 子、混合微电子、功率模块等领域还是处于主导地位而被大量运用。 3 3 陶瓷基板的制造陶瓷基板的制造 制造高纯度的陶瓷基板是很困难的，大部分陶瓷熔点和硬度都很高，这一点限制了陶瓷机 械加工的可能性，因此陶瓷基板中常常掺杂熔点较低的玻璃用于助熔或者粘接，使最终产 品易于机械加工。Al2O3、BeO、AlN 基板制备过程很相似，将基体材料研磨成粉直径在几 微米左右，与不同的玻璃助熔剂和粘接剂(包括粉体的 MgO、CaO)混合，此外还向混合物 中加入一些有机粘接剂和不同的增塑剂再球磨防止团聚使成分均匀，成型生瓷片，最后高 温烧结。目前陶瓷成型主要有如下几种方法： ●辊轴轧制 将浆料喷涂到一个平坦的表面，部分干燥以形成黏度像油灰状的薄片，再将 薄片送入一对大的平行辊轴中轧碾得到厚度均匀的生瓷片。 ●流延 浆料通过锋利的刀刃涂覆在一个移动的带上形成薄片。与其他工艺相比这是一种 低压的工艺。 ●粉末压制 粉末在硬模具腔内并施加很大的压力(约 138MPa)下烧结，尽管压力不均匀可 能产生过度翘曲但这一工艺生产的烧结件非常致密，容差较小。 ●等静压粉末压制 这种工艺使用使用周围为水或者为甘油的模及使用高达 69MPa 的压力 这种压力更为均匀所制成的部件翘曲更小。 ●挤压 浆料通过模具挤出这种工艺使用的浆料黏度较低，难以获得较小容差，但是这种 工艺非常经济，并且可以得到比其他方法更薄的部件。 4 4 基板种类及其特性比较基板种类及其特性比较 现阶段较普遍的陶瓷种类共有 HTCC、LTCC、DBC、DPC 四种，其中 HTCC 属于较早期发展 的技术，但由于烧结温度较高使其电极材料的选择受限，且制作成本相对昂贵，这些因素 促使 LTCC 的发展，LTCC 虽然将共烧温度降至约 850℃，但缺点是尺寸精确度、产品强度 等不易控制。而 DBC 与 DPC 则为国内近几年才开发成熟，且能量产化的专业技术，DBC 是 利用高温加热将 Al2O3 与 Cu 板结合，其技术瓶颈在于不易解决 Al2O3 与 Cu 板间微气孔产 生之问题，这使得该产品的量产能量与良率受到较大的挑战，而 DPC 技术则是利用直接镀 铜技术，将 Cu 沉积于 Al2O3 基板之上，其工艺结合材料与薄膜工艺技术，其产品为近年 最普遍使用的陶瓷。然而其材料控制与工艺技术整合能力要求较高，这使得跨入 DPC 产业 并能稳定生产的技术门槛相对较高。 LTCC (Low-Temperature Co-fired Ceram) LTCC 又称为低温共烧多层陶瓷基板，此技术须先将无机的氧化铝粉与约 30%~50%的玻璃 材料加上有机黏结剂，使其混合均匀成为泥状的浆料，接着利用刮刀把浆料刮成片状，再 经由一道干燥过程将片状浆料形成一片片薄薄的生胚，然后依各层的设计钻导通孔，作为 各层讯号的传递，LTCC 内部线路则运用网版印刷技术，分别于生胚上做填孔及印制线 路，内外电极则可分别使用银、铜、金等金属，最后将各层做叠层动作，放置于 850~900℃的烧结炉中烧结成型，即可完成。详细制造过程 LTCC 生产流程图 HTCC (High-Temperature Co-fired Ceramic)HTCC (High-Temperature Co-fired Ceramic) HTCC 又称为高温共烧多层陶瓷，生产制造过程与 LTCC 极为相似，主要的差异点在于 HTCC 的陶瓷粉末并无加入玻璃材质，因此，HTCC 的必须再高温 1300~1600℃环境下干燥 硬化成生胚，接着同样钻上导通孔，以网版印刷技术填孔与印制线路，因其共烧温度较 高，使得金属导体材料的选择受限，其主要的材料为熔点较高但导电性却较差的钨、钼、 锰…等金属，最后再叠层烧结成型。 DBC (Direct Bonded Copper) 直接敷铜技术是利用铜的含氧液直接将铜敷接在陶瓷上，其基本原理就是敷接过程前或过 程中在铜与陶瓷之间引入适量的氧元素，在 1065℃~1083℃范围内，铜与氧形成 Cu-O 液，DBC 技术利用该液一方面与陶瓷基板发生化学反应生成 CuAlO 2 或 CuAl 2O4 相，另一方 面浸润铜箔实现陶瓷基板与铜板的结合。陶瓷基板直接敷铜板的制造流程图如下图。 (a) Al 2O3 陶瓷基板敷铜板工艺 (b) AlN 陶瓷基板敷铜板工艺 图 直接敷铜陶瓷基板工艺示意图 直接敷铜陶瓷基板由于同时具备铜的优良导电、导热性能和陶瓷的机械强度高、低介电损 耗的优点，所以得到广泛的应用。在过去的几十年里，敷铜基板在功率电子方面做出了很 大的贡献，这主要归因于直接敷铜基板具有如下性能特点： ● 热性能好； ● 电容性能； ● 高的绝缘性能； ● Si 相匹配的热膨胀系数； ● 电性能优越，载流能力强。 直接敷铜陶瓷基板最初的研究就是为了解决大电流和