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本文来源：《现代技术陶瓷》，2019,40(04):265-292作       者：程浩，陈明祥，罗小兵，彭洋，刘松坡作者单位：华中科技大学，武汉利之达科技股份有限公司

本文接上期内容

• 电子封装陶瓷基板(2/5)

2.2

三维陶瓷基板制备技术

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(Multilayer Sintering 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[38]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。图16(a)HTCC陶瓷基板制备工艺流程和(b)结构示意图Figure 16(a)Process flow and (b)schematic diagram of HTCC图17(a)HTCC陶瓷基板产品和(b)LTCC陶瓷基板产品Figure 17 HTCC and LTCC samples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[39]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5.9 W/(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[40]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[41]经过表面处理将LTCC基板翘曲由150μm～250μm降低至80μm～110μm;Sim等人[42]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):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[43],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。图18 MSC陶瓷基板制备工艺流程Figure 18 Process flow of manufacturing MSC图19 MSC三维陶瓷基板产品Figure 19 MSC samples直接粘接三维陶瓷基板(DAC):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[44],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。图20 有机胶接法制备DAC陶瓷基板产品Figure 20 DAC sample fabricated by adhesive bonding图21 DAC三维陶瓷基板制备工艺流程Figure 21 Process flow of manufacturing DAC ceramic substrate图22 无机胶粘结制备DAC三维陶瓷基板:(a)产品图;(b)结构图Figure 22(a)DAC samples and (b)DAC structure fabricated using inorganic adhesive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):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[45]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～700μm),如图24所示。需要指出的是,由于干膜厚度有限(一般为50μm～80μm),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600μm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):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[46]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。图23 多层电镀三维陶瓷基板MPC:(a)产品;(b)结构示意图Figure 23(a)MPC Sample and(b)schematic diagram of MPC packaging图24 多层电镀三维陶瓷基板(MPC)工艺流程图Figure 24 Process flow of manufacturing MPC图25 采用免烧陶瓷浆料制备的DMC三维陶瓷基板样品及其结构示意图Figure 25 DMC sample and its schematic diagram of manufacturing图26 浆料直接成型法制备三维基板流程Figure 26 Process flow of manufacturing DMC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30μm,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。表3 三维陶瓷基板性能对比
Table 3 Properties of 3D ceramic substrate fabricated by different process  

 下期预告：《电子封装陶瓷基板(4/5)》

往期精彩回顾

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