三維陶瓷基板的五大制備技術淺析

許多微電子器件(如加速度計、陀螺儀、深紫外LED等)芯片對空氣、濕氣、灰塵等非常敏感。如LED芯片理論上可工作10萬小時以上，但水汽侵蝕會大大縮短其壽命。為了提高這些微電子器件性能，必須將其芯片封裝在真空或保護氣體中，實現氣密封裝。因此，必須首先制備含腔體(圍壩)結構的三維陶瓷基板，滿足封裝應用需求。

三維陶瓷基板性能對比↓↓

HTCC基板制備過程中先將陶瓷粉(Al2O3或AlN)加入有機黏結劑，混合均勻后成為膏狀陶瓷漿料，接著利用刮刀將陶瓷漿料刮成片狀，再通過干燥工藝使片狀漿料形成生胚；然后根據線路層設計鉆導通孔，采用絲網印刷金屬漿料進行布線和填孔，最后將各生胚層疊加，置于高溫爐(1600℃)中燒結而成。由于HTCC基板制備工藝溫度高，因此導電金屬選擇受限，只能采用熔點高但導電性較差的金屬(如W、Mo及Mn等)，制作成本較高。

此外，受到絲網印刷工藝限制，HTCC基板線路精度較差，難以滿足高精度封裝需求。但HTCC基板具有較高機械強度和熱導率[20W/(m·K)~200W/(m·K)]，物化性能穩定，適合大功率及高溫環境下器件封裝。

為了降低HTCC制備工藝溫度，同時提高線路層導電性，業界開發了LTCC基板。與HTCC制備工藝類似，只是LTCC制備在陶瓷漿料中加入了一定量玻璃粉來降低燒結溫度，同時使用導電性良好的Cu、Ag和Au等制備金屬漿料。LTCC基板制備溫度低，但生產效率高，可適應高溫、高濕及大電流應用要求，在軍工及航天電子器件中得到廣泛應用。

LTCC制備工藝流程

雖然LTCC基板具有上述優勢，但由于在陶瓷漿料中添加了玻璃粉，導致基板熱導率偏低[一般僅為3W/(m·K)~7W/(m·K)]。此外，與HTCC一樣，由于LTCC基板采用絲網印刷技術制作金屬線路，有可能因張網問題造成對位誤差，導致金屬線路層精度低；而且多層陶瓷生胚疊壓燒結時還存在收縮比例差異問題，影響成品率，一定程度上制約了LTCC基板技術發展。

與HTCC/LTCC基板一次成型制備三維陶瓷基板不同，臺灣陽升公司采用多次燒結法制備了MSC基板。首先制備厚膜印刷陶瓷基板(TPC)，隨后通過多次絲網印刷將陶瓷漿料印刷于平面TPC基板上，形成腔體結構，再經高溫燒結得到MSC基板。

由于陶瓷漿料燒結溫度一般在800℃左右，因此要求下部的TPC基板線路層必須能耐受如此高溫，防止在燒結過程中出現脫層或氧化等缺陷。TPC基板線路層由金屬漿料高溫燒結(一般溫度為850℃~900℃)制備，具有較好的耐高溫性能，適合后續采用燒結法制備陶瓷腔體。

MSC陶瓷基板制備工藝流程

MSC基板技術生產設備和工藝簡單，平面基板與腔體結構獨立燒結成型，且由于腔體結構與平面基板均為無機陶瓷材料，熱膨脹系數匹配，制備過程中不會出現脫層、翹曲等現象。其缺點在于，下部TPC基板線路層與上部腔體結構均采用絲網印刷布線，圖形精度較低；同時，因受絲網印刷工藝限制，所制備的MSC基板腔體厚度有限。因此MSC三維基板僅適用于體積較小、精度要求不高的電子器件封裝。

上述HTCC、LTCC及MSC基板線路層都采用絲網印刷制備，精度較低，難以滿足高精度、高集成度封裝要求，因此業界提出在高精度DPC陶瓷基板上成型腔體制備三維陶瓷基板。由于DPC基板金屬線路層在高溫(超過300℃)下會出現氧化、起泡甚至脫層等現象，因此基于DPC技術的三維陶瓷基板制備必須在低溫下進行。

DAC三維陶瓷基板制備工藝流程

臺灣璦司柏公司(ICP)提出采用膠粘法制備三維陶瓷基板。首先加工金屬環和DPC陶瓷基板，然后采用有機粘膠將金屬環與DPC基板對準后粘接、加熱固化。由于膠液流動性好，涂膠工藝簡單，成本低，易于實現批量生產，且所有制備工藝均在低溫下進行，不會對DPC基板線路層造成損傷。但由于有機粘膠耐熱性差，固化體與金屬、陶瓷間熱膨脹系數差較大，且為非氣密性材料，目前DAC陶瓷基板主要應用于線路精度要求較高，但對耐熱性、氣密性、可靠性等要求較低的電子器件封裝。

為了解決上述不足，業界進一步提出采用無機膠替代有機膠的粘接技術方案，大大提高了DAC三維陶瓷基板的耐熱性和可靠性。其技術關鍵是選用無機膠，要求其能在低溫(低于200℃)下固化；固化體耐熱性好(能長期耐受300℃高溫)，與金屬、陶瓷材料粘接性好(剪切強度大于10MPa)，同時與金屬環(圍壩)和陶瓷基片材料熱膨脹系數匹配(降低界面熱應力)。

MPC基板采用圖形電鍍工藝制備線路層，避免了HTCC/LTCC與TPC基板線路粗糙問題，滿足高精度封裝要求。陶瓷基板與金屬圍壩一體化成型為密封腔體，結構緊湊，無中間粘結層，氣密性高。

MPC陶瓷基板制備工藝流程

MPC基板整體為全無機材料，具有良好的耐熱性，抗腐蝕、抗輻射等。金屬圍壩結構形狀可以任意設計，圍壩頂部可制備出定位臺階，便于放置玻璃透鏡或蓋板，目前已成功應用于深紫外LED封裝和VCSEL激光器封裝，已部分取代LTCC基板。

其缺點在于：由于干膜厚度限制，制備過程需要反復進行光刻、顯影、圖形電鍍與表面研磨，耗時長(厚度為600μm圍壩需要電鍍10h以上)，生產成本高；此外，由于電鍍圍壩銅層較厚，內部應力大，MPC基板容易翹曲變形，影響后續的芯片封裝質量與效率。

DMC基板的制備，首先制備平面DPC陶瓷基板，同時制備帶孔橡膠模具；將橡膠模具與DPC陶瓷基板對準合模后，向模具腔內填充犧牲模材料；待犧牲模材料固化后，取下橡膠模具，犧牲模粘接于DPC陶瓷基板上，并精確復制橡膠模具孔結構特征，作為鋁硅酸鹽漿料成型模具；隨后將鋁硅酸鹽漿料涂覆于DPC陶瓷基板上并刮平，加熱固化，最后將犧牲模材料腐蝕，得到含鋁硅酸鹽免燒陶瓷圍壩的三維陶瓷基板。

DMC陶瓷基板制備工藝流程

鋁硅酸鹽漿料固化溫度低，對DPC陶瓷基板線路層影響極小，并與DPC基板制備工藝兼容。橡膠具有易加工、易脫模以及價格低廉等特點，能精確復制圍壩結構(腔體)形狀與尺寸，保證圍壩加工精度。有實驗結果表明，腔體深度、直徑加工誤差均小于30μm，說明該工藝制備的三維陶瓷基板精度高，重復性好，適合量產。鋁硅酸鹽漿料加熱后脫水縮合，主要產物為無機聚合物，其耐熱性好，熱膨脹系數與陶瓷基片匹配，具有良好的熱穩定性；固化體與陶瓷、金屬粘接強度高，制備的三維陶瓷基板可靠性高。圍壩厚度(腔體高度)取決于模具厚度，理論上不受限制，可滿足不同結構和尺寸的電子器件封裝要求。