原创 陶瓷金属化工艺,陶瓷和金属的强强联合

2021-4-2 11:53 641 1 1 分类: PCB

科学的发展自然离不开硬件的支持,进入21世纪,智能设备持续向数字化、小型化、柔性化、低能耗化、多功能化、高可靠性化等方向发展,与之密切相关的电子封装技术也进入了超高速发展时期。

常用的电子封装基板材料包括有机封装基板、金属基复合基板和陶瓷封装基板三大类。随着智能设备的进化,传统的基板材料已然不能满足当下发展的需求,于是乎基板材料就由有机材料、金属材料、进化为了陶瓷材料。也自然衍生出了各种各样的陶瓷金属化技术。

陶瓷材料相比传统的基板材料有众多优点:

1.低通讯损耗-陶瓷材料本身的介电常数使得信号损耗更小。

2.高热导率-芯片上的热量直接传导到陶瓷片上面,无需绝缘层,可以做到相对更好的散热。

3.更匹配的热膨胀系数-陶瓷和芯片的热膨胀系数接近,不会在温差剧变时产生太大变形导致线路脱焊、内应力等问题。

4.高运行温度-陶瓷可以承受波动较大的高低温循环,甚至可以在500-600度的高温下正常运作。

5.高电绝缘性-陶瓷材料本身就是绝缘材料,可以承受很高的击穿电压。

6.高化学稳定性-陶瓷材料在加工过程中能耐酸、碱、有机溶剂的浸蚀。

7.高机械强度-陶瓷材料本身具有不错的机械强度,稳定性好

因此,陶瓷材料逐渐发展成为新一代集成电路以及功率电子模块的理想封装基材。目前常用的陶瓷基板材料包括Al2O3、SiC、AlN以及Si3N4等。陶瓷金属化技术也得到了广泛的关注和迅速发展。

1.厚膜法

厚膜法是在基板上通过丝网印刷技术、微笔直写技术和喷墨打印技术等微流动直写技术在基板上直接沉积导电浆料,经高温烧结形成导电线路和电极的方法,该方法适用于大部分陶瓷基板。厚膜导电浆料一般由尺寸微米甚至纳米级的金属粉末和少量玻璃粘结剂再加上有机溶剂组成。在高温下浆料中的玻璃粘结剂与基板相结合,使导电相粘附在基板表面,形成导电线路。

厚膜法中以丝网印刷技术应用最为广泛,该技术优点是工艺简单,但缺点也很明显:受限于导电浆料和丝网尺寸,制备的导线最小线宽难以低于60μm,并且无法制作三维图形,因此不适合小批量、精细基板的生产。微笔直写技术和喷墨打印技术虽然能沉积高精度导电图形,但是对浆料粘度要求较高,容易发生通道堵塞。并且,采用厚膜法成形的导电线路电学性能较差,因此采用厚膜法的陶瓷基板仅能用于对功率和尺寸要求较低的电子器件中。

2.直接敷铜法

直接敷铜法(Direct Bonded Copper,DBC)主要是根据Al2O3陶瓷基板发展起来的陶瓷表面金属化技术,后来又应用于AlN陶瓷,已广泛应用于汽车、电力、航空、航天及军工等领域。

将铜箔(厚度大于0.1 mm)在N2保护下,温度1065℃-1083℃范围内直接键合到Al2O3陶瓷基片表面。纯铜在熔融状态下对Al2O3陶瓷不润湿,需要在反应界面引入氧元素,高温下产生的Cu-Cu2O共晶液对 Al2O3有良好的润湿性,通过生成的CuAlO2作为过渡层,可以将铜箔直接敷接在Al2O3陶瓷基板上。

DBC技术主要的缺点是铜箔厚度较大,后续通过化学蚀刻过程很难得到高精度导线,而且界面氧元素难以控制,铜箔与陶瓷之间容易出现气孔,导致最终器件性能不稳定,还有待于进一步的基础技术研究。另外,受限于技术原理,铜箔敷接的方式无法实现通孔金属化。

3.薄膜法

薄膜法作为一种晶片级制造技术,是微电子制造中金属薄膜沉积的主要方法:首先在金属化之前,应按照一定的要求将已烧结好的瓷片进行相关处理,以达到周边无毛刺、无凸起,瓷片光滑、洁净。然后再通过磁控溅射,在陶瓷表面沉积一层薄薄的Cu层作为种子层,以便后续的电镀工艺开展。然后进行闪电镀来给种子铜增厚(保护种子铜)。再然后通过贴膜、曝光、显影等工序完成图形转移,再电镀使Cu层增长到所需厚度,最终通过退膜、蚀刻工序完成导电线路的制作。

斯利通陶瓷基板,金属层与基板之间结合力稳定(可达45Mpa)金属平整性好。线/间距(L/S)分辨率可以做到20μm,铜厚在铜厚区间1μm~1mm内自由选择,最小孔径仅75um,且支持PTH(电镀通孔)/Vias(导通孔),是产品可靠性的保障。

近年来,采用薄膜工艺制备的陶瓷基板已在功率型LED封装中显示出了极强的竞争力。物联网下游产业链中相关的各种各样电子产品也都离不开陶瓷基板。根据PRISMARK、华泰证券研究所统计,通信、PC、消费电子占基板需求量约70%左右,主要集中在无线、传输、数据通信等应用领域。

陶瓷材料的发展一直都是备受瞩目的,关于陶瓷金属化的研究也从来没有停止过,斯利通并不会因为暂时的优势领先就止步不前,只有不断的攻坚研发,才能不被时代的洪流所淘汰。陶瓷基板更加符合数字化、小型化、柔性化、低能耗化、多功能化、高可靠性化的未来发展方向。它是一种更可行的选择。是今后电子封装材料可持续发展的重要方向。

作者: 斯利通, 来源:面包板社区

链接: https://mbb.eet-china.com/blog/uid-me-3876914.html

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