陶瓷基板經(jīng)過燒結成型為了實現(xiàn)更好的電氣性能，便于做圖形電路需要在表面做金屬化。金屬化實現(xiàn)金屬和陶瓷的結合力，是實現(xiàn)封裝的重要環(huán)節(jié)。那么陶瓷基板表面金屬化有哪些方面？采用不同金屬化性能特性有什么不同？

       陶瓷基板表面金屬化5個類別：共燒法 (HTCC和LTCC) 、厚膜法 (TFC) 、直接敷銅法 (DBC) 、直接敷鋁法 (DBA) 及薄膜法 (DPC) 等幾種類別。

 一，共燒法

 共燒多層陶瓷基板因利用厚膜技術將信號線、微細線等無源元件埋入基板中能夠滿足集成電路的諸多要求, 故在近幾年獲得了廣泛的關注。

共燒法有兩種, 一種是高溫共燒 (HTCC) , 另一種是低溫共燒 (LTCC) , 兩者工藝流程基本相同, 主要生產(chǎn)工藝流程均為漿料配制、流延生帶、干燥生坯、鉆導通孔、網(wǎng)印填孔、網(wǎng)印線路、疊層燒結以及最后的切片等后處理過程。將氧化鋁粉末與有機粘接劑混合形成漿料, 再利用刮刀把漿料加工成片狀, 經(jīng)干燥后形成陶瓷生坯, 然后根據(jù)設計要求在生坯上加工導通孔并填充金屬粉末, 利用絲網(wǎng)印刷技術在生坯表面涂布形成線路圖形。

 最后將各層生坯層疊后進行壓合, 在共燒爐內(nèi)完成燒結并成型。兩種共燒法雖流程大致相同, 但燒結的溫度卻相差很大。HTCC共燒溫度為1300~1600℃, 而LTCC燒結溫度則為850~900℃。造成這種差別的主要原因在于LTCC燒結漿料中加入了可以降低燒結溫度的玻璃材料, 這是HTCC共燒漿料中所沒有的。雖然玻璃材料可降低燒結溫度, 但是導致基板的熱導率大幅下降。

       共燒陶瓷基板在增加組裝密度、縮短互連長度、減少信號延遲、減小體積、提高可靠性等方面具有顯著的優(yōu)勢。共燒基板更多的應用是將多種無源器件埋置于陶瓷漿料中燒結, 制作成三維集成且互不干擾的高密度電路, 在其表面貼裝IC和有源器件, 制作成功能集成模塊, 進一步減小電路結構, 提高集成密度, 特別適用于高頻通訊用組件。

 然而, 因HTCC與LTCC均是采用網(wǎng)版印刷完成圖形制作, 因此圖形尺寸精度及表面粗糙度受印刷工藝的影響較大。同時, 層壓過程中也極易造成圖形對位不精準而導致公差累積過大等問題。再者, 生坯在燒結過程中容易出現(xiàn)收縮不一致的情況, 這在很大程度上也限制了共燒工藝的應用。

  二，厚膜法 (TFC)

        厚膜法是指采用絲網(wǎng)印刷的方式, 將導電漿料直接涂布在陶瓷基體上, 然后經(jīng)高溫燒結使金屬層牢固附著于陶瓷基體上的制作工藝。厚膜導體漿料的選擇是決定厚膜工藝的關鍵因素, 它由功能相 (即金屬粉末, 粒徑在2μm以內(nèi)) 、粘結相 (粘結劑) 和有機載體所組成。常見的金屬粉末有Au、Pt、Au/Pt、Au/Pd、Ag、Ag/Pt、Ag/Pd、Cu、Ni、Al及W等金屬, 其中以Ag、Ag/Pd和Cu漿料居多。粘結劑一般是玻璃料或金屬氧化物或是二者的混合物, 其作用是連結陶瓷與金屬并決定著厚膜漿料對基體陶瓷的附著力, 是厚膜漿料制作的關鍵。有機載體的作用主要是分散功能相和粘結相, 同時使厚膜漿料保持一定的粘度, 為后續(xù)的絲網(wǎng)印刷做準備, 在燒結過程中會逐漸揮發(fā)。

目前對于氧化鋁厚膜電子漿料的研究已經(jīng)趨于成熟, 而氮化鋁厚膜電子漿料尚有較大的發(fā)展空間, 這是由多數(shù)金屬對氮化鋁陶瓷的潤濕性不理想所導致的。為改善厚膜制作過程中金屬與氮化鋁陶瓷之間的結合力, 最常見的方法有兩種, 一是利用玻璃料作為粘結相使金屬層與AlN層達到機械結合;二是添加與AlN能夠反應的物質作為粘結相, 通過與AlN反應達到化學結合。目前氮化鋁漿料大部分玻璃粘結體系的主要成分為SiO2-B2O3, 這是因為硅酸鹽玻璃和硼酸鹽玻璃對金屬及氮化鋁均有很好的潤濕效果。另外, 硼酸鹽玻璃的軟化點較低, 能夠提高燒成速率, 增強燒結后的密度。但硼酸鹽軟化點低的特性也會使其在未達到金屬化燒結溫度前就發(fā)生軟化流動, 從而不能使金屬層與氮化鋁陶瓷形成有效的網(wǎng)狀交聯(lián)結構, 硅酸鹽的加入可以有效解決這一問題。同時, 還可以通過向玻璃相中添加適量的堿金屬和堿土金屬以進一步改善玻璃相的性能, 這是因為堿或堿土金屬能夠使玻璃發(fā)生分化, 降低玻璃的粘度。一般隨著堿或堿土金屬添加量的增加, 粘度會顯著降低, 從而有利于提高漿料的流動性, 加速金屬化燒結, 常用的堿或堿土金屬有LiO2、Na2O、K2O、BaO和PdO等。此外, 還可以加入一些能夠與氮化鋁反應生成新相的物質, 如Cr2O3、PdO、ZnO等, 利用新相形成的反應結合力提高漿料金屬化后的附著強度。有研究指出, 一些硅和硼的堿土金屬氧化物, 以及鋯、鐵、鉛及磷等的氧化物, 它們能夠與AlN發(fā)生反應生成新物質。例如使用ZrB2粘結相, 反應過程中由于新相Al2O3·B2O3 (硼鋁尖晶石) 的生成, 可使金屬化層與氮化鋁陶瓷結合力高達24MPa, 反應過程中產(chǎn)生的ZrO2還能加速AlN的氧化, 從而促進反應的進行。

厚膜TFC燒結后的金屬層厚度一般為10~20μm, 最小線寬為0.1 mm。由于技術成熟, 工藝簡單, 成本較低, TFC在對圖形精度要求不高的LED封裝中得到一定應用。同時, TFC因存在著圖形精準度低 (誤差為±10%) 、鍍層穩(wěn)定性易受漿料均勻性影響、線面平整度不佳 (3μm以上) 及附著力不易控制等缺點, 使其應用范圍受到了一定的限制。

三．直接敷銅法

      DBC是在陶瓷表面 (主要是Al2O3和AlN) 鍵合銅箔的一種金屬化方法, 它是隨著板上芯片 (COB) 封裝技術的興起而發(fā)展出來的一種新型工藝。其基本原理是在Cu與陶瓷之間引進氧元素, 然后在1065~1083℃時形成Cu/O共晶液相, 進而與陶瓷基體及銅箔發(fā)生反應生成CuAlO2或Cu(AlO2)2, 并在中間相的作用下實現(xiàn)銅箔與基體的鍵合。因Al N屬于非氧化物陶瓷, 其表面敷銅的關鍵在于在其表面形成一層Al2O3過渡層, 并在過渡層的作用下實現(xiàn)銅箔與基體陶瓷的有效鍵合。

氧的引入是DBC工藝中一個非常關鍵的步驟, 氧化時間與氧化溫度是該工藝中兩個最重要的參數(shù), 對鍵合后陶瓷與銅箔之間的結合力有著非常重要的影響。當氧化時間和氧化溫度固定時, 沒經(jīng)預氧化處理的Al2O3基體在與銅箔敷接的過程中, 因氧難以滲入銅箔與陶瓷基板的界面, Cu/O液相對基板的潤濕性較差, 最后會在界面上殘留大量的空洞和缺陷。而基體經(jīng)預氧化處理后, 可在敷接的同時給予充足的供氧, 則Cu/O液相對陶瓷基體和銅箔潤濕性良好, 界面空洞及缺陷明顯減少, 銅箔與基體的結合力也較為牢固。而對于Al N而言, 因AlN是強共價鍵化合物, Cu/O液相對其潤濕性較差, 在其表面利用DBC方式敷銅時則必須通過表面改性的方式來增強Cu/O液相對陶瓷基體的潤濕性以確保銅箔與基體的結合力。目前一般的做法是利用預氧化的方式在Al N表面形成一定厚度、分散均勻且結構致密的Al2O3薄膜。因氧化鋁薄膜與氮化鋁基體的熱膨脹系數(shù)不匹配, 室溫條件下兩相界面可能會因內(nèi)應力的存在而導致結合力變差, 所以膜的質量是后續(xù)敷接成敗的關鍵。一般而言, 欲實現(xiàn)二者的有效結合, 必須在保證氧化膜致密的前提下, 盡可能減小膜的厚度來降低A N與Al2O3兩相之間的內(nèi)應力。井敏等對DBC工藝展開了系統(tǒng)的研究, 利用熔融Na OH粗化陶瓷表面的方法, 獲得了剝離強度為6.5 N/mm以上、熱導率為11.86W/ (m·K) 的DBC陶瓷基板。謝建軍等用DBC技術制備了Cu/Al2O3、Cu/AlN復合陶瓷基板材料, 銅箔和AlN陶瓷基板間的結合強度超過了8.00 N/mm, 銅箔和AlN陶瓷之間存在厚度約為2μm的過渡層, 其成分主要為Al2O3、CuAlO2和Cu2O化合物, 隨著敷接溫度升高, Cu/AlN的界面結合強度逐漸增大。AKara-Slimane等在真空條件下, 溫度為1000℃、壓強為4~12 MPa時, 利用DBC工藝制得氮化鋁陶瓷基板, 其剝離強度高達32 MPa。

銅箔具有良好的導電及導熱性能, 而氧化鋁不僅具有導熱性能好、絕緣性強、可靠性高等優(yōu)點, 還能有效地控制CuAl2O3-Cu復合體的膨脹, 使DBC陶瓷基板具有近似氧化鋁的熱膨脹系數(shù), 現(xiàn)已廣泛地應用于IGBT、LD和CPV等的封裝散熱管理中。因DBC熱壓鍵合的銅箔一般較厚, 為100~600μm, 具有強大的載流能力, 在IGBT和LD封裝領域優(yōu)勢明顯。

雖然DBC在實際工程運用中存在許多優(yōu)勢, 但同時也存在如下不足: (1) DBC工藝需要在高溫條件下引入氧元素使Cu與Al2O3發(fā)生共晶反應, 對設備和工藝控制要求較高, 基板制作成本較高; (2) Al2O3與Cu層之間容易產(chǎn)生微氣孔, 基板抗熱沖擊性能會受影響; (3) DBC表面鍵合銅箔厚度一般在100μm以上, 表面圖形最小線寬一般大于100μm, 不適合精細線路的制作。

      四，直接敷鋁法

      直接敷鋁法是利用鋁在液態(tài)下對陶瓷有著較好的潤濕性以實現(xiàn)二者的敷接。當溫度升至660℃以上時, 固態(tài)鋁發(fā)生液化, 當液態(tài)鋁潤濕陶瓷表面后, 隨著溫度的降低, 鋁直接在陶瓷表面提供的晶核結晶生長, 冷卻到室溫實現(xiàn)兩者的結合。由于鋁較為活潑, 在高溫條件下容易氧化生成Al2O3薄膜而存在于鋁液表面, 大大降低鋁液對陶瓷表面的潤濕性, 使敷接難以實現(xiàn), 因此在敷接前必須將其去除或是在無氧條件下進行敷接。彭榕等采取石墨模具壓鑄的方法, 將純凈的鋁液通過壓力鋪在Al2O3基板和AlN基板表面, 而Al2O3膜由于沒有流動性而留在模具空腔里, 冷卻后制得敷接完好的DAB基板。

     鑒于鋁液對陶瓷表面的潤濕性是影響DAB成敗的關鍵, 國內(nèi)外的學者對潤濕性展開了大量的研究工作。KaraSlimane采用鋁作為中間層敷接Al N/Al/Fe時指出, 敷接過程中必須施加一定的壓力, 以打破液態(tài)鋁表面出現(xiàn)的Al2O3層, 才能實現(xiàn)鋁與氮化鋁和鐵的有效敷接。以上考慮的是物理敷接, 即鋁/陶瓷界面不存在化學反應, 這樣鋁和陶瓷之間的結合強度就取決于兩者之間的粗糙度增大而造成的機械鎖合作用, 與DBC相比其結合力比較小。但兩者之間的結合沒有第二相生成, 與DBC相比具有低界面應力和高界面熱導的優(yōu)勢。在敷接鋁之前, 對陶瓷進行表面處理以增大敷接強度是非常關鍵的工藝環(huán)節(jié)。

      陶瓷基板表面粗糙度在很大程度上影響敷接性能, 保持一定的粗糙度是提高敷接強度的必要條件。因此如何處理陶瓷基板以改變其粗糙度是提高鋁/陶瓷之間結合強度的關鍵。Lin等對Al2O3/Al/Al2O3的敷接溫度及性能進行了研究, 并在1 100℃制備出熱導率達32 W/ (m·K) 的高鍵合強度DAB基板。井敏等通過燒結Cu2O于Al2O3基板上首先形成一種穩(wěn)定的Cu Al2O4相, 在1 000℃下經(jīng)H2還原使基板表面生成一層銅膜, 最后在真空環(huán)境下用活潑金屬鎂和碳粉保護的方法, 隔絕了氧氣與金屬鋁的接觸, 在760℃以下共晶實現(xiàn)敷接, 制備了敷接強度高達11.9 MPa的Al/Al2O3的DAB陶瓷基板。

      DAB陶瓷基板熱穩(wěn)定性良好, 與同結構的DBC相比質量可減輕44%,鋁線鍵合能力佳, 鋁/陶瓷之間的熱應力也相對較小, 近年來發(fā)展迅速。Al2O3-DAB基板及Al N-DAB基板具有優(yōu)異的導熱特性、良好的抗熱震疲勞性能、出色的熱穩(wěn)定性及結構質量輕和良好的鋁線鍵合能力, 基于DAB基板的電力器件模塊已成功在日本汽車工業(yè)中得到應用。目前國內(nèi)外對DAB技術做了大量的研究工作, 但對鋁/陶瓷界面細節(jié)方面的研究還不夠深入。因對氧含量有嚴格的限制, DAB對設備和工藝控制要求較高, 基板制作成本較高。且表面鍵合鋁厚度一般在100μm以上, 不適合精細線路的制作, 其推廣和應用也因此而受限。

      五，薄膜法 (Direct plated copper, DPC)

      薄膜法是主要采用物理氣相沉積 (真空蒸鍍、磁控濺射等) 等技術在陶瓷表面形成金屬層, 再采用掩膜、刻蝕等操作形成金屬電路層的工藝過程。其中物理氣相沉積是最常見的薄膜制造工藝。

物理氣相沉積是采用蒸鍍或濺射等方法在陶瓷表面形成一層3~5μm的金屬薄膜作為陶瓷基板的導電層。因金屬銅層與陶瓷層易發(fā)生熱循環(huán)剝離失效, 因此界面鍵合強度成為DPC基板的技術瓶頸。陶瓷與金屬薄膜的結合力、金屬薄膜與芯片的焊接性能以及金屬薄膜自身的導電能力是衡量薄膜質量的三個重要指標。金屬薄膜與氮化鋁的結合力決定了薄膜工藝陶瓷基板的實用性與可靠性, 而結合力則受到范德華力、化學鍵力、擴散附著、機械鎖合、靜電引力及薄膜自身內(nèi)應力的綜合影響, 其中以擴散附著和化學鍵力為主要因素。因此需要選擇Al、Cr、Ti、Ni、Cu等活性較高、擴散性能好的金屬作為過渡層。導電層承擔著電氣連接及焊接的功能, 因此需要選擇Au、Cu、Ag等電阻率低、耐高溫、化學性能穩(wěn)定且擴散系數(shù)小的金屬材料。對DPC陶瓷基板制備工藝進行了研究, 結果表明通過采用W/Ti合金作過渡層能提高鍵合強度, 當過渡層厚度為200 nm時, 制備的薄膜Al2O3陶瓷基板的結合力強度大于97.2 N。另外, 除利用物理氣相沉積制備薄膜外, 還有學者利用化學鍍的方法在陶瓷表面獲得了銅薄膜。重慶大學薛生杰等利用化學鍍的方法, 通過優(yōu)化各類工藝參數(shù), 制備了結合力為18.45 N、電導率為2.65×10^6 S/m、沉積速率為0.026 g/ (s·cm2) 、熱導率為147.29 W/ (m·K) 的Al N薄膜陶瓷基板。

與其他陶瓷表面金屬化方法相比, DPC工藝操作溫度低, 一般在300℃以下, 降低了制造工藝成本, 同時有效避免了高溫對材料的不利影響。DPC基板利用黃光微影技術制作圖形電路, 線寬可控制在20~30μm, 表面平整度可達3μm以下, 圖形精度誤差可控制在±1%之內(nèi), 非常適合對電路精度要求較高的電子器件封裝。特別是在利用激光對DPC基板切孔與通孔填銅后, 可實現(xiàn)陶瓷基板上下表面的互聯(lián), 從而滿足電子器件的三維封裝要求。DPC不僅降低了封裝體積, 還能有效提高封裝集成度。DPC陶瓷基板雖具有上述諸多優(yōu)點, 但是也存在著諸如電鍍沉積銅層厚度有限, 且電鍍廢液污染大、金屬層與陶瓷間的結合強度較低, 產(chǎn)品應用時可靠性較低等不足。

不同陶瓷基板金屬化陶瓷級別特性不同

陶瓷基板具備一定的絕緣、耐熱、耐壓能力與熱匹配性能。因陶瓷基板具有優(yōu)異的導熱與絕緣性能, 在功率型電子元器件的封裝應用中優(yōu)勢凸顯, 是日后功率型電子封裝散熱基板的主要發(fā)展方向之一。以下是陶瓷基板通過五種不同金屬化的性能特征對比展示：

不同金屬化陶瓷基板特性不同

金瑞欣陶瓷基板金屬化目前主流的是DBC和DPC陶瓷金屬化，DBC覆銅金屬結合力高達15N/mm以上 ，DPC薄膜電鍍對位精準，精密線路，鍍膜最薄0.15mm,可做板厚度0.15-8.0mm，歡迎咨詢。