含腔體結構(圍壩)三維陶瓷基板：HTCC/LTCC/MSC/DAC/MPC/DMC等

發布時間 | 2025-05-16 19:39 分類 | 粉體應用技術點擊量 | 577

干燥氮化鋁氧化鋁

導讀：目前市場上主流的三維陶瓷基板技術包括：高/低溫共燒陶瓷、多次（絲網印刷）燒結法、膠粘法、多層電鍍技術、含免燒陶瓷圍壩的三維陶瓷基板技術等。

芯片必須經過封裝才能可靠運行。陶瓷基板憑借其高導熱性、高耐熱性和耐腐蝕性，在功率器件封裝中被廣泛應用。對于深紫外LED、VCSEL激光器等對濕氣、氧氣和灰塵敏感的器件，傳統的平面陶瓷基板難以滿足要求，因此需采用帶腔體結構的三維陶瓷基板進行氣密封裝，以提高器件的可靠性。目前市場上主流的三維陶瓷基板技術包括：高/低溫共燒陶瓷、多次（絲網印刷）燒結法、膠粘法、多層電鍍技術、含免燒陶瓷圍壩的三維陶瓷基板技術等。

a)深紫外LED氣密封裝結構示意圖與b)樣品^【3】

一、高/低溫共燒陶瓷

共燒陶瓷（Co-fired Ceramics）技術是一種高效的多層互聯基板制造工藝，通過多層疊壓共燒工藝，可以制備含密封腔體的多層結構，滿足器件氣密封裝要求。根據所用材料及燒結溫度的不同，可將共燒陶瓷分為高溫共燒陶瓷（High Temperature Co-Fired Ceramic，HTCC）和低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-Fired Ceramic，LTCC）。

LTCC封裝用于線鍵合3D MEMS加速度傳感器(來源: Fraunhofer IKTS)

LTCC與HTCC的整體工藝流程相似，都包括以下步驟：配制漿料、流延生帶、干燥生坯、鉆導通孔、網印填孔、網印線路、疊層燒結，最后進行切片等后處理。這些工藝步驟所需的設備也基本相同。為了降低燒結溫度，LTCC制備過程中在陶瓷漿料中添加一定量的玻璃粉來降低燒結溫度。LTCC的低溫燒結能力使其能兼容銀、銅等高導電金屬，從而提高電性能、降低損耗，并優化制造成本。這是LTCC發展的重要驅動力之一，特別是在高頻電路、射頻模塊和微波通訊等應用領域。

LTCC制造步驟，來源 IMT Atlantique

特性	HTCC	LTCC
燒結溫度	～1600℃	低于1000℃
材料組成	氧化鋁、氮化鋁、莫來石等	微晶玻璃系，陶瓷+玻璃復合，非晶玻璃系
兼容導體	難熔金屬金屬：鎢、鉬、鎳、錳和鉑	低熔點高電導率金屬：銀、銅、金
介電損耗	高	低

HTCC是“耐高溫的硬漢”，犧牲導電性和設計靈活性換取極端環境下的可靠性；LTCC則是“高頻性能的能手”，以低損耗、高集成度成為現代通信和消費電子的主流選擇。

二、多次（絲網印刷）燒結法

與HTCC/LTCC基板的一次成型制備不同，多層燒結三維陶瓷（Multilayer Sintering Ceramic Substrate，MSC）基板的主要特征是經多次絲網印刷，形成所需圍壩厚度后燒結法制備而成，其工藝流程流程圖如下。

MSC基板工藝流程：①先制厚膜陶瓷基板，②再以絲網印刷陶瓷漿料形成單層圍壩，③低溫（100～200℃,1h以上）干燥，④⑤逐層印刷固化至圍壩達到所需厚度，⑥最后高溫燒結成型。

與HTCC/LTCC相比，MSC基板制備技術和工藝簡單，平面基板與圍壩結構獨立燒結成型，成本較低。此外，由于圍壩與平面基板均為陶瓷材料，熱膨脹系數匹配，制備與使用過程中不會出現基板翹曲和脫層等現象，且圍壩經高溫燒結制備，與底部結合強度及自身強度較高。其缺點在于，下部陶瓷基板線路層與上部圍壩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基板圍壩厚度(高度)有限。因此MSC三維陶瓷基板僅適用于體積較小、精度要求較低的電子器件封裝。

三、膠粘法

上述HTCC、LTCC及MSC基板線路層都采用絲網印刷制備,精度較低,難以滿足高度、高集成度封裝要求,平面DPC基板精度高且能夠實現垂直互連，可以在此基礎上成型圍壩結構以制備三維陶瓷基板。因此業界提出了在高精度DPC基板上成型腔體來制備DAC（Direct Bonded 3D Ceramic）基板,但DPC基板耐受溫度不高于300℃，高溫下會出現氧化、起泡甚至脫層等問題。因此，不能采用高溫燒結制備圍壩結構，必須在低溫下制備。例如采用膠粘工藝：

膠粘法制備三維陶瓷基板

1、有機膠粘

臺灣璦司柏電子股份有限公司采用有機膠粘接金屬環與DPC基板，于低溫下制備了含金屬圍壩的三維陶瓷基板。但是，有機膠是非氣密性材料，長期使用會發生老化，且與金屬、陶瓷的熱膨脹系數差異較大，導致結構內應力大，可靠性偏低。

2、無機膠粘

美國Cree公司使用耐熱性更好，且與陶瓷、金屬熱膨脹系數更匹配的無機膠代替有機膠實現圍壩與基板粘接，使DAC基板可靠性大大提高。

四、多層電鍍技術

電鍍陶瓷基板(DPC)是近年來研發的一種新型陶瓷電路板，具有導熱/耐熱性好、圖形精度高、可垂直互連等技術優勢，廣泛應用于半導體照明(白光LED)、殺菌消毒(深紫外LED)和高溫電子器件封裝為了發揮DPC基板技術的優勢(高圖形精度、垂直互連等)，研究人員提出了采用多次/層電鍍增厚技術(Multi-Layer Plated Copper 3D Ceramic，MPC)在DPC基板上制備具有厚銅圍壩結構的三維陶瓷基板。其制備工藝與DPC基板的類似，只是在完成平面DPC基板線路層加工后，通過多次光刻、顯影和圖形電鍍完成圍壩制備(厚度一般為500~700μm)。需要注意的是，由于干膜厚度有限(一般為50~80μm)，需要反復進行光刻、顯影、圖形電鍍等。同時，為了提高生產效率，需要在電鍍增厚圍壩時提高電流密度，導致鍍層表面粗糙，需要不斷進行研磨，以保持鍍層表面的平整與光滑。