在电子封装过程中,基板主要起机械支撑保护与电互连(绝缘)作用。随着电子封装技术逐渐向着小型化、高密度、多功能和高可靠性方向发展示，电子系统的功率密度随之增加，散热问题越来越严重。器件的散热影响条件众多，其中基板材料的选用也是关键的一环。

目前，电子封装常用的基板材料主要有四大类：聚合物基板；金属基板；复合基板；陶瓷基板。陶瓷基板材料以其强度高、绝缘性好、导热和耐热性能优良、热膨胀系数小、化学稳定性好等优点，广泛应用于电子封装基板。

陶瓷封装基板材料主要包括Al₂O₃、BeO和AlN等。目前，Al₂O₃陶瓷是应用最成熟的陶瓷封装材料，以其耐热冲击性和电绝缘性较好、制作和加工技术成熟而被广泛应用。

相对于塑料基和金属基，其优点是：（1）低介电常数，高频性能好；（2）绝缘性好、可靠性高；（3）强度高，热稳定性好；（4）热膨胀系数低，热导率高；（5）气密性好，化学性能稳定；（6）耐湿性好，不易产生微裂现象。陶瓷封装材料缺点是：成本较高，适用于高级微电子器件的封装，如航空航天和军事工程的高可靠、高频、耐高温、气密性强的封装；在移动通信、家用电器、汽车等领域也有着广泛应用。

美国、日本等国相继开发出多层陶瓷基片，使其成为一种广泛应用的高技术陶瓷，目前已投入使用的陶瓷基片材料有Al₂O₃、BeO和AlN、SiC和莫来石等。从结构与制作工艺，陶瓷基板可分为高温共烧多层陶瓷基板、低温共烧陶瓷基板、厚膜陶瓷基板、直接键合铜陶瓷基板等，下面将为大家分类说明。

一、高温共烧多层陶瓷基板

高温共烧多层陶瓷基板制备工艺是：先将陶瓷粉（Si₃N₄、Al₂O₃、AlN）加入有机黏结剂，混合均匀后成为膏状浆料，接着利用刮刀将浆料刮成片状，再通过干燥工艺使片状浆料形成生坯；然后依据各层的设计钻导通孔，采用丝网印刷金属浆料进行布线和填孔，最后将各生坯层叠加，置于高温炉（1600℃）中烧结而成。因为烧结温度高，导致金属导体材料的选择受限（主要为熔点较高但导电性较差的钨、钼、锰等金属），制作成本高，热导率一般在20~200W/（m·℃）（取决于陶瓷粉体组成与纯度）。

图1 多层氮化硅陶瓷覆铜基板（来源：京瓷）

 

二、低温共烧陶瓷基板

低温共烧陶瓷基板制备工艺与高温共烧多层陶瓷基板类似，其区别是在Al₂O₃粉体中混入质量分数30%-50%的低熔点玻璃料，使烧结温度降低至850~900℃，因此可以采用导电率较好的金、银作为电极和布线材料。但另一方面，因为低温共烧陶瓷基板陶瓷料中含有玻璃相，其综合热导率仅为2~3W/（m·℃）。此外，由于低温共烧陶瓷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；而且多层陶瓷叠压烧结时还存在收缩比例差异问题，影响成品率。

图2 Al2O3陶瓷电子封装材料（来源：京瓷）

 

这里需要注意的是，在实际生产中，为了提高低温共烧陶瓷基板导热性能，可在贴片区增加导热孔或导电孔，但缺点是会造成成本增加。同时为了拓展陶瓷基板的应用领域，一般采用多层叠压共烧工艺，可以制备出含腔体的多层结构（通常称为陶瓷管壳而非陶瓷基板），满足电子器件气密封装要求，广泛应用于航空航天等环境恶劣及光通信等可靠性要求较高的领域。

三、厚膜陶瓷基板

相对于高温共烧多层陶瓷基板和低温共烧陶瓷基板，厚膜陶瓷基板为后烧陶瓷基板。其制备工艺是：采用丝网印刷技术将金属浆料涂覆在陶瓷基片表面，经过干燥、高温烧结（700~800℃）后制备。金属浆料一般由金属粉末（Ag-Pd或Ag-Pt）、有机树脂和玻璃粉等组成。经高温烧结，树脂粘合剂被燃烧掉，剩下的几乎都是纯金属，由于玻璃质粘合作用在陶瓷基板表面。烧结后的金属层厚度为10~20μm，最小线宽为0.3mm。由于技术成熟，工艺简单，成本较低，厚膜陶瓷基板在对图形精度要求不高的电子封装中得到一定应用。

图3 厚膜陶瓷基板样品

 

四、直接键合铜陶瓷基板

直接键合铜陶瓷基板是由陶瓷基片（Al₂O₃或AlN）与铜箔在高温下（1065 ℃）共晶烧结而成，最后根据布线要求，以刻蚀方式形成线路。由于铜箔具有良好的导电、导热能力，而氧化铝能有效控制Cu-Al₂O₃-Cu复合体的膨胀，使直接键合铜陶瓷基板具有近似氧化铝的热膨胀系数。

直接键合铜陶瓷基板优点是：导热性好、绝缘性强、可靠性高等，已广泛应用于绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、半导体激光器（LD）和CPV封装。特别是由于铜箔较厚（100~600μm），在IGBT和LD封装领域优势明显。

其缺点在于：1）直接键合铜陶瓷基板制备利用了高温下Cu与Al₂O₃间的共晶反应，对设备和工艺控制要求较高，基板成本较高。2）由于Al₂O₃与Cu层间容易产生微气孔，降低了产品抗热冲击性。3）由于铜箔在高温下容易翘曲变形，因此直接键合铜陶瓷基板表面铜箔厚度一般大于100μm；同时由于采用化学腐蚀工艺，直接键合铜陶瓷基板图形的最小线宽一般大于100μm。

图4 直接键合铜陶瓷基板制备工艺流程

 

五、直接镀铜陶瓷基板

直接镀铜陶瓷基板制备工艺是：首先将陶瓷基片进行前处理清洗，利用真空溅射方式在基片表面沉积Ti/Cu层作为种子层，接着以光刻、显影、刻蚀工艺完成线路制作，最后再以电镀/化学镀方式增加线路厚度，待光刻胶去除后完成基板制作。

   直接镀铜陶瓷基板优点：1）低温工艺（300℃以下），完全避免了高温对材料或线路结构的不利影响，也降低了制造工艺成本。2）采用薄膜与光刻显影技术，使基板上的金属线路更加精细（线宽尺寸20~30μm，表面平整度低于0.3μm，线路对准精度误差小于±1%），因此直接镀铜陶瓷基板非常适合对准精度要求较高的电子器件封装。特别是采用激光打孔与通孔填铜技术后（实现陶瓷基板上下表面互联），可实现电子器件三维封装，降低器件体积，提高封装集成度。

直接镀铜陶瓷基板缺点：1）电镀沉积铜层厚度有限，且电镀废液污染大。2）金属层与陶瓷间的结合强度较低，产品应用时可靠性较低。

图5 氧化铝多层基板应用例

在实际生产时，对于陶瓷基板材料为了降低基板翘曲，一般采用三明治结构（陶瓷基片上下面同时制作金属层）。正面金属层用于贴装芯片，反面则用于平衡应力（由于金属与陶瓷热膨胀系数不匹配而产生），同时易于与下部的金属热沉焊接。

参考文献：

1、程浩，陈明祥，郝自亮，刘松坡，功率电子封装用陶瓷基板技术与应用进展，电子元件与材料。

2、崔嵩，黄岸兵，张浩，MCM用氮化铝共烧多层陶瓷基板的研究，电子元件与材料。

3、龙乐，低温共烧陶瓷基板及其封装应用，电子与封装。

 

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