陶瓷基板在燒結(jié)成型之后，需對(duì)其表面實(shí)施金屬化，然后通過(guò)影像轉(zhuǎn)移的方法完成表面圖形的制作，以實(shí)現(xiàn)陶瓷基板的電氣連接性能。表面金屬化對(duì)陶瓷基板的制作而言是至關(guān)重要的一環(huán)，這是因?yàn)榻饘僭诟邷叵聦?duì)陶瓷表面的潤(rùn)濕能力決定了金屬與陶瓷之間的結(jié)合力，良好的結(jié)合力是封裝性能穩(wěn)定性的重要保證。
目前，陶瓷表面常見的金屬化方法大致可以分為共燒法(HTCC和LTCC)、厚膜法(TFC)、直接敷銅法(DBC)、直接敷鋁法(DBA)及薄膜法(DPC)、活性金屬焊接(AMB)等幾種形式。艾邦建有陶瓷基板產(chǎn)業(yè)群，歡迎上下游企業(yè)加入微信群，長(zhǎng)按識(shí)別二維碼即可加入。
1.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(shù)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(guò)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?yàn)R射等方法在陶瓷表面形成一層 3~5 μm 的金屬薄膜作為陶瓷基板的導(dǎo)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(qiáng)度成為 DPC 基板的技術(shù)瓶頸。陶瓷與金屬薄膜的結(jié)合力、金屬薄膜與芯片的焊接性能以及金屬薄膜自身的導(dǎo)電能力是衡量薄膜質(zhì)量的三個(gè)重要指標(biāo)。金屬薄膜與氮化鋁的結(jié)合力決定了薄膜工藝陶瓷基板的實(shí)用性與可靠性，而結(jié)合力則受到范德華力、化學(xué)鍵力、擴(kuò)散附著、機(jī)械鎖合、靜電引力及薄膜自身內(nèi)應(yīng)力的綜合影響，其中以擴(kuò)散附著和化學(xué)鍵力為主要因素。因此需要選擇 Al、Cr、Ti、Ni、Cu 等活性較高、擴(kuò)散性能好的金屬作為過(guò)渡層。導(dǎo)電層承擔(dān)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(xué)性能穩(wěn)定且擴(kuò)散系數(shù)小的金屬材料。
圖 金屬化陶瓷基板，來(lái)源：MARUWA
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(shí)有效避免了高溫對(duì)材料的不利影響。DPC 基板利用黃光微影技術(shù)制作圖形電路，線寬可控制在 20~30μm，表面平整度可達(dá) 3μm 以下，圖形精度誤差可控制在 +1% 之內(nèi)，非常適合對(duì)電路精度要求較高的電子器件封裝。特別是在利用激光對(duì) DPC 基板切孔與通孔填銅后，可實(shí)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(diǎn)，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(jié)合強(qiáng)度較低，產(chǎn)品應(yīng)用時(shí)可靠性較低等不足。
2.厚膜法( Thick film ceramic,TFC)
厚膜法是指采用絲網(wǎng)印刷的方式將導(dǎo)電漿料直接涂布在陶瓷基體上，然后經(jīng)高溫?zé)Y(jié)使金屬層牢固附著于陶瓷基體上的制作工藝。厚膜導(dǎo)體漿料的選擇是決定厚膜工藝的關(guān)鍵因素，它由功能相(金屬粉末)、粘結(jié)相(粘結(jié)劑)和有機(jī)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。粘結(jié)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(jié)陶瓷與金屬并決定著厚膜漿料對(duì)基體陶瓷的附著力，是厚膜漿料制作的關(guān)鍵。有機(jī)載體的作用主要是分散功能相和粘結(jié)相，同時(shí)使厚膜漿料保持一定的粘度，為后續(xù)的絲網(wǎng)印刷做準(zhǔn)備，在燒結(jié)過(guò)程中會(huì)逐漸揮發(fā)。
TFC 燒結(jié)后的金屬層厚度一般為 10~20 μm，最小線寬為 0.1 mm。TFC 技術(shù)成熟，工藝簡(jiǎn)單，成本較低，但其存在圖形精準(zhǔn)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(diǎn)，使其應(yīng)用范圍受到了一定的限制。
3.共燒法( High/Low temperature co-fired ceramics,HTCC/LTCC)
共燒多層陶瓷基板利用厚膜技術(shù)將信號(hào)線、微細(xì)線等無(wú)源元件埋入基板中能夠滿足集成電路的諸多要求。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(dǎo)通孔、網(wǎng)印填孔、網(wǎng)印線路、疊層燒結(jié)以及最后的切片等后處理過(guò)程。
圖 共燒多層陶瓷工藝流程，來(lái)源：Orbray
兩種共燒法雖流程大致相同，所需設(shè)備也相差無(wú)幾。但由于材料的差異較大，導(dǎo)致 LTCC 與 HTCC 在生產(chǎn)過(guò)程中的共燒溫度區(qū)別較大，LTCC 燒結(jié)溫度為 800~950℃，HTCC 燒結(jié)為 1650℃- 1850℃。
共燒陶瓷基板在增加組裝密度、縮短互連長(zhǎng)度、減少信號(hào)延遲、減小體積、提高可靠性等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。共燒基板更多的應(yīng)用是將多種無(wú)源器件埋置于陶瓷基板中燒結(jié)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(jìn)一步減小電路結(jié)構(gòu)，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(shí)，層壓過(guò)程中也極易造成圖形對(duì)位不精準(zhǔn)而導(dǎo)致公差累積過(guò)大等問(wèn)題。此外，生坯在燒結(jié)過(guò)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(yīng)用。
目前可以通過(guò)將薄膜工藝與多層陶瓷共燒技術(shù)相結(jié)合，利用薄膜工藝分別對(duì) HTCC 基板正背面進(jìn)行精細(xì)線條制作，制造出高精度的薄厚膜電路。
4.直接敷銅法(Direct bonded copper,DBC)
DBC 是在陶瓷表面(主要是氧化鋁和氮化鋁)鍵合銅箔的一種金屬化方法。其基本原理是在 Cu 與陶瓷之間引進(jìn)氧元素，然后在 1065~1083℃ 時(shí)形成 Cu/O 共晶液相，進(jìn)而與陶瓷基體及銅箔發(fā)生反應(yīng)生成 CuAlO2 或 Cu(AlO2)2，并在中間相的作用下實(shí)現(xiàn)銅箔與基體的鍵合。因 AlN 屬于非氧化物陶瓷，其表面敷銅的關(guān)鍵在于在其表面形成一層 Al2O3 過(guò)渡層，并在過(guò)渡層的作用下實(shí)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(gè)非常關(guān)鍵的步驟，氧化時(shí)間與氧化溫度是該工藝中兩個(gè)最重要的參數(shù)，對(duì)鍵合后陶瓷與銅箔之間的結(jié)合力有著非常重要的影響。當(dāng)氧化時(shí)間和氧化溫度固定時(shí)，沒經(jīng)預(yù)氧化處理的 Al2O3 基體在與銅箔敷接的過(guò)程中，因氧難以滲入銅箔與陶瓷基板的界面，Cu/O 液相對(duì)基板的潤(rùn)濕性較差，最后會(huì)在界面上殘留大量的空洞和缺陷。而基體經(jīng)預(yù)氧化處理后，可在敷接的同時(shí)給予充足的供氧，則 Cu/O 液相對(duì)陶瓷基體和銅箔潤(rùn)濕性良好，界面空洞及缺陷明顯減少，銅箔與基體的結(jié)合力也較為牢固。
而 AlN 是強(qiáng)共價(jià)鍵化合物，Cu/O 液相對(duì)其潤(rùn)濕性較差，在其表面利用 DBC 方式敷銅時(shí)則必須通過(guò)表面改性的方式來(lái)增強(qiáng) Cu/O 液相對(duì)陶瓷基體的潤(rùn)濕性以確保銅箔與基體的結(jié)合力。目前一般的做法是利用預(yù)氧化的方式在 AlN 表面形成一定厚度、分散均勻且結(jié)構(gòu)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(huì)因內(nèi)應(yīng)力的存在而導(dǎo)致結(jié)合力變差，所以膜的質(zhì)量是后續(xù)敷接成敗的關(guān)鍵。一般而言，欲實(shí)現(xiàn)二者的有效結(jié)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(lái)降低 AlN 與 Al2O3 兩相之間的內(nèi)應(yīng)力。
DBC 陶瓷基板具有高熱導(dǎo)率、高絕緣性能和高可靠性被廣泛應(yīng)用于 IGBT、LD 和 CPV 等的封裝散熱管理中。但 DBC 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(yīng)，對(duì)設(shè)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(huì)受影響；
(3) DBC 表面鍵合銅箔厚度一般在 100 μm 以上，表面圖形最小線寬一般大于 100μm，不適合精細(xì)線路的制作。
5.活性金屬焊接陶瓷基板(Active Metal Brazing,AMB)
AMB陶瓷基板利用含少量活性元素的活性金屬焊料實(shí)現(xiàn)銅箔與陶瓷基片間的焊接，其工藝流程如下圖所示。活性焊料通過(guò)在普通金屬焊料中添加Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta等稀土元素制備，由于稀土元素具有高活性,可提高焊料熔化后對(duì)陶瓷的潤(rùn)濕性，使陶瓷表面無(wú)需金屬化就可與金屬實(shí)現(xiàn)焊接。AMB基板具有優(yōu)異的力學(xué)性能及耐高低溫沖擊可靠性，成為功率模塊的封裝材料。
AMB基板制備技術(shù)是DBC基板工藝的改進(jìn)(DBC基板制備中銅箔與陶瓷在高溫下直接鍵合，而AMB基板采用活性焊料實(shí)現(xiàn)銅箔與陶瓷基片間鍵合)，通過(guò)選用活性焊料可降低鍵合溫度(低于800°C)，進(jìn)而降低陶瓷基板內(nèi)部熱應(yīng)力。AMB基板依靠活性焊料與陶瓷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)鍵合，因此結(jié)合強(qiáng)度高，可靠性好。
圖 AMB基板結(jié)構(gòu)示意圖，來(lái)源：TANAKA
AMB陶瓷覆銅板的核心是活性金屬釬焊漿料及其互聯(lián)工藝，對(duì)可靠性影響較大，很大程度取決于活性釬焊漿料的成分、釬焊工藝、釬焊層組織結(jié)構(gòu)、反應(yīng)層厚度等諸多關(guān)鍵因素。AMB基板的成本較高限制了其推廣應(yīng)用。
6.直接敷鋁法( Direct Bonded Aluminum,DBA)
直接敷鋁法是利用鋁在液態(tài)下對(duì)陶瓷有著較好的潤(rùn)濕性以實(shí)現(xiàn)二者的敷接。當(dāng)溫度升至 660℃ 以上時(shí)，固態(tài)鋁發(fā)生液化，當(dāng)液態(tài)鋁潤(rùn)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(jié)晶生長(zhǎng)，冷卻到室溫實(shí)現(xiàn)兩者的結(jié)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(duì)陶瓷表面的潤(rùn)濕性使敷接難以實(shí)現(xiàn)， 因此在敷接前必須將其去除或是在無(wú)氧條件下進(jìn)行敷接。
在敷接鋁之前，對(duì)陶瓷進(jìn)行表面處理以增大敷接強(qiáng)度是非常關(guān)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(qiáng)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(jié)合強(qiáng)度的關(guān)鍵。
DBA陶瓷基板熱穩(wěn)定性良好，與同結(jié)構(gòu)的 DBC 相比質(zhì)量可減輕 44%，鋁線鍵合能力佳，鋁/陶瓷之間的熱應(yīng)力也相對(duì)較小，近年來(lái)發(fā)展迅速。Al2O3-DBA 基板及 AlN-DBA 基板具有優(yōu)異的導(dǎo)熱特性、良好的抗熱震疲勞性能、出色的熱穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕和良好的鋁線鍵合能力，基于 DBA 基板的電力器件模塊已成功在日本汽車工業(yè)中得到應(yīng)用。因?qū)ρ鹾坑袊?yán)格的限制，DBA 對(duì)設(shè)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 100 μm 以上，不適合精細(xì)線路的制作。
資料來(lái)源：
1.《陶瓷基板表面金屬化研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)》，秦典成,等.
2.《電子封裝陶瓷基板》，程浩,等.
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The 2nd Ceramic Packages Industry Forum
河北·石家莊
一、會(huì)議議題
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序號(hào)
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暫定議題
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演講單位
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1
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薄膜技術(shù)在封裝中的應(yīng)用
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中電科四十三所 車江波 高級(jí)工程師
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2
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陶瓷封裝技術(shù)在半導(dǎo)體器件領(lǐng)域的應(yīng)用
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北京大學(xué)東莞研究院 鄭小平 研究員/項(xiàng)目總監(jiān)
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3
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傳感器技術(shù)的發(fā)展及陶瓷封裝的應(yīng)用趨勢(shì)
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鄭州中科集成電路與系統(tǒng)應(yīng)用研究院 先進(jìn)封測(cè)中心主管 周繼瑞
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4
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集成電路高可靠陶瓷封裝的發(fā)展概況
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睿芯峰
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5
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微電子封裝用封接玻璃的開發(fā)
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天力創(chuàng)
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6
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高品質(zhì)氮化硅粉體規(guī)模化制備關(guān)鍵技術(shù)新進(jìn)展
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中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所/中科新瓷（重慶）科技有限公司 高級(jí)工程師/總經(jīng)理 楊增朝
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7
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功率模塊封裝用高強(qiáng)度高熱導(dǎo)率Si3N4陶瓷的研究進(jìn)展
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中材高新氮化物陶瓷有限公司 高級(jí)專家 張偉儒
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8
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電子封裝陶瓷基板關(guān)鍵的制備技術(shù)
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河北東方泰陽(yáng)
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9
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鈣鈦礦型鐵電介質(zhì)陶瓷開發(fā)及應(yīng)用
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電子科技大學(xué) 唐斌 教授
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10
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低溫共燒陶瓷基板及其封裝應(yīng)用
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中電科43所 董兆文 研究員
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11
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集成電路陶瓷封裝外殼仿真設(shè)計(jì)
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擬邀請(qǐng)?zhí)沾煞庋b廠商/高校研究所
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12
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系統(tǒng)級(jí)封裝用陶瓷材料研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)
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擬邀請(qǐng)?zhí)沾煞庋b廠商/高校研究所
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13
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陶瓷封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化及可靠性分析
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擬邀請(qǐng)?zhí)沾煞庋b廠商/高校研究所
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14
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陶瓷薄膜金屬化工藝技術(shù)
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擬邀請(qǐng)金屬化設(shè)備企業(yè)
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以最終議題為準(zhǔn)。更多議題征集中，歡迎自擬或者推薦議題。演講&贊助&會(huì)議報(bào)名請(qǐng)聯(lián)系李小姐：18124643204（同微信）
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