芯片必須經(jīng)過封裝才能可靠運(yùn)行。陶瓷基板憑借其高導(dǎo)熱性、高耐熱性和耐腐蝕性，在功率器件封裝中被廣泛應(yīng)用。對(duì)于深紫外LED、VCSEL激光器等對(duì)濕氣、氧氣和灰塵敏感的器件，傳統(tǒng)的平面陶瓷基板難以滿足要求，因此需采用帶腔體結(jié)構(gòu)的三維陶瓷基板進(jìn)行氣密封裝，以提高器件的可靠性。目前市場(chǎng)上主流的三維陶瓷基板技術(shù)包括：高/低溫共燒陶瓷、多次（絲網(wǎng)印刷）燒結(jié)法、膠粘法、多層電鍍技術(shù)、含免燒陶瓷圍壩的三維陶瓷基板技術(shù)等。

a)深紫外LED氣密封裝結(jié)構(gòu)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(shù)是一種高效的多層互聯(lián)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(jié)構(gòu)，滿足器件氣密封裝要求。根據(jù)所用材料及燒結(jié)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(dǎo)通孔、網(wǎng)印填孔、網(wǎng)印線路、疊層燒結(jié)，最后進(jìn)行切片等后處理。這些工藝步驟所需的設(shè)備也基本相同。為了降低燒結(jié)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(jié)溫度。LTCC的低溫?zé)Y(jié)能力使其能兼容銀、銅等高導(dǎo)電金屬，從而提高電性能、降低損耗，并優(yōu)化制造成本。這是LTCC發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力之一，特別是在高頻電路、射頻模塊和微波通訊等應(yīng)用領(lǐng)域。

LTCC制造步驟，來源 IMT Atlantique

HTCC是“耐高溫的硬漢”，犧牲導(dǎo)電性和設(shè)計(jì)靈活性換取極端環(huán)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(xiàn)代通信和消費(fèi)電子的主流選擇。

二、多次（絲網(wǎng)印刷）燒結(jié)法

與HTCC/LTCC基板的一次成型制備不同，多層燒結(jié)三維陶瓷（Multilayer Sintering Ceramic Substrate，MSC）基板的主要特征是經(jīng)多次絲網(wǎng)印刷，形成所需圍壩厚度后燒結(jié)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(wǎng)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(dá)到所需厚度，⑥最后高溫?zé)Y(jié)成型。

與HTCC/LTCC相比，MSC基板制備技術(shù)和工藝簡(jiǎn)單，平面基板與圍壩結(jié)構(gòu)獨(dú)立燒結(jié)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(shù)匹配，制備與使用過程中不會(huì)出現(xiàn)基板翹曲和脫層等現(xiàn)象，且圍壩經(jīng)高溫?zé)Y(jié)制備，與底部結(jié)合強(qiáng)度及自身強(qiáng)度較高。其缺點(diǎn)在于，下部陶瓷基板線路層與上部圍壩結(jié)構(gòu)均采用絲網(wǎng)印刷布線，圖形精度較低;同時(shí)因受絲網(wǎng)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(wǎng)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?qū)崿F(xiàn)垂直互連，可以在此基礎(chǔ)上成型圍壩結(jié)構(gòu)以制備三維陶瓷基板。因此業(yè)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(huì)出現(xiàn)氧化、起泡甚至脫層等問題。因此，不能采用高溫?zé)Y(jié)制備圍壩結(jié)構(gòu)，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(jī)膠粘

臺(tái)灣璦司柏電子股份有限公司采用有機(jī)膠粘接金屬環(huán)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(jī)膠是非氣密性材料，長(zhǎng)期使用會(huì)發(fā)生老化，且與金屬、陶瓷的熱膨脹系數(shù)差異較大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力大，可靠性偏低。

2、無機(jī)膠粘

美國(guó)Cree公司使用耐熱性更好，且與陶瓷、金屬熱膨脹系數(shù)更匹配的無機(jī)膠代替有機(jī)膠實(shí)現(xiàn)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(shù)

電鍍陶瓷基板(DPC)是近年來研發(fā)的一種新型陶瓷電路板，具有導(dǎo)熱/耐熱性好、圖形精度高、可垂直互連等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)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(fā)揮DPC基板技術(shù)的優(yōu)勢(shì)(高圖形精度、垂直互連等)，研究人員提出了采用多次/層電鍍?cè)龊窦夹g(shù)(Multi-Layer Plated Copper 3D Ceramic，MPC)在DPC基板上制備具有厚銅圍壩結(jié)構(gòu)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(fù)進(jìn)行光刻、顯影、圖形電鍍等。同時(shí)，為了提高生產(chǎn)效率，需要在電鍍?cè)龊駠鷫螘r(shí)提高電流密度，導(dǎo)致鍍層表面粗糙，需要不斷進(jìn)行研磨，以保持鍍層表面的平整與光滑。

多層電鍍制備三維陶瓷基板工藝流程

MPC基板采用圖形電鍍工藝制備線路層,避免了HTCC/LTCC與TPC基板線路粗糙的問題,滿足高精度封裝要求。陶瓷基板與金屬圍壩一體化成型,形成密封腔體,結(jié)構(gòu)緊湊無中間黏結(jié)層,氣密性高。MPC基板整體由全無機(jī)材料構(gòu)成,具有良好的耐熱性、耐蝕性抗輻射性等。

五、含免燒陶瓷圍壩三維陶瓷基板

為了提高三維陶瓷基板的生產(chǎn)效率,同時(shí)保證基板線路的精度與可靠性,研究人員提出了制備含有免燒陶瓷圍壩的三維陶瓷基板--直接成型三維陶瓷(Direct Molded 3DCeramic DMC)基板。

為避免通過高溫工藝在DPC基板上制備圍壩結(jié)構(gòu)，業(yè)界將目光放于低溫成型材料上。免燒陶瓷是一種無機(jī)膠凝材料，其漿體在低溫下可以通過物理或酸-堿化學(xué)反應(yīng)而凝結(jié)固化，并具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與粘接強(qiáng)度。應(yīng)用于制備三維陶瓷基板的圍壩結(jié)構(gòu)，免燒陶瓷具有很大技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

目前含免燒陶瓷圍壩三維陶瓷基板的制備技術(shù)主要有基于磷酸鎂免燒陶瓷的注漿法以及基于鋁硅酸鹽免燒陶瓷的溶模法和直寫成型技術(shù)。

參考資料：

1、張海波，譚劃，姜?jiǎng)倭种骶?《先進(jìn)陶瓷工藝學(xué)》.華中科技大學(xué)出版社，2023.09.

2、劉京隆.免燒陶瓷漿料磁輔助注漿成型制備三維陶瓷基板技術(shù)研究[D].華中科技大學(xué),2022

3、陳金祥,田壯,程浩,等.多層電鍍法制備三維陶瓷基板技術(shù)研究[J].電子元件與材料,2021

編輯整理：粉體圈Alpha