「论坛报告」先进电子封装中的陶瓷材料及封装技术

　　电子信息产业已成为国民经济发展的支柱性产业，其中集成电路是我国目前重点支持的高技术产业，而集成电路设计、制造和封装测试是集成电路产业的重要组成部分。微电子封装不但直接影响着集成电路本身的电性能、机械性能、光性能和热性能，影响其可靠性和成本，还在很大程度上决定着电子整机系统的小型化、多功能化、可靠性和成本，微电子封装越来越受到人们的普遍重视，特别是随着5G通讯技术和第三代半导体技术的快速发展，对于微电子封装材料和封装技术提出了更高的要求。

　　电子封装材料

　　电子封装基片材料的种类很多，常用基片主要分为塑料封装基片、金属封装基片和陶瓷封装基片3大类，目前以塑料为封装材料最为广泛。但塑料封装材料通常热导率不高、可靠性不好，在要求较高的场合并不适用；金属封装材料热导率高，但一般热膨胀系数不匹配，而且价格较高；陶瓷封装虽然不是主要的封装形式，但其作为一种气密性封装，热导率较高，毫无疑问是今后封装材料的发展方向。

　　那又有哪些陶瓷材料会被用以电子封装呢？

　　1、Al2O3陶瓷

　　Al2O3陶瓷是目前应用最成熟的陶瓷基片材料，其价格低廉，尺寸精度高，与金属的附着欧美综艺力好，耐热冲击性和电绝缘性较好，制作和加工技术成熟是一种综合性能较为理想的基片材料，因而使用最广泛，占陶瓷基片材料的90%。

　　2、AIN陶瓷

　　AIN陶瓷基片是一种新型的基片材料，具有优良的热传导性、可靠的电绝缘性、低的介电常数和介电损耗、无毒，以及与硅相匹配的热膨胀系数等一系列优良特性，被认为是新一代高集成度半导体基片和电子器件封装的理想材料，受到了国内外研究者的广泛重视。

　　但是，AIN陶瓷的制备工艺复杂，成本高，故至今仍未能进行大规模的生产和应用。

　　3、BN陶瓷

　　BN具有较好的综合性能，但作为基片材料，它没有突出的优点，价格昂贵，而且热膨胀系数又远小于Si的，易形成较大的热应力(Si在室温至673℃范围内热膨胀系数为(3.5～3.8)×10-6℃)，BN目前仍处于研究和推广中。

　　4、氧化铍(BeO)

　　BeO材料密度低，具有纤锌矿型和强共价键结构，其粉末与基片均为白色。相对分子量较低，导致材料热导率高，如纯度为99%的BeO陶瓷室温热导率可达310W/(m·K)。其禁带宽度高达10.6eV，介电常数为6.7，弹性模量为350GPa，抗弯强度为200MPa，具有良好的综合性能。

　　BeO的生产成本很高，这也限制了它的生产和推广应用。其用途仅限于以下几个方面:高功率晶体管的散热片、高频及大功率半导体器件的散热盖板、发射管、行波管、激光管、速调管等。

　　5、SiC陶瓷

　　SiC陶瓷的热导率很高，是Al2O3的13倍，而且电绝缘性好，热膨胀系数低于Al2O3和AIN。但是，SiC的介电常数太高，是AIN的4倍，耐压强度低，所以仅适合密度较低的封装而不适合高密度封装。除了用于集成电路组件、阵列组件以及激光二极管等之外，也用于具有导电性的(机构)结构零件。

　　6、Si3N4陶瓷

　　Si3N4陶瓷基片具有很高的电绝缘性能和化学稳定性，热稳定性好，机械强度大，除了加压烧结品外，也可做成绝缘薄膜使用，尤其是可用于制造高集成度的大规模集成电路板。

　　表1：常用封装材料性能对比

　　目前来说，就材料性质而言，氮化铝和氮化硅无疑是最好的封装材料，但是考虑到成本因素，氧化铝因其突出的性价比应用最为广泛。

　　电子封装技术

　　电子陶瓷封装基片的性能与其制备工艺是息息相关的，任何工序都会影响最终产品的质量。从结构与制作工艺而言，陶瓷基板又可分为HTCC、LTCC、TFC、DBC、DPC等。

　　1、HTCC

　　HTCC又称为高温共烧多层陶瓷技术。制备过程中先将陶瓷粉（Al2O3或AlN）加入有机黏结剂，混合均匀后成为膏状浆料，接着利用刮刀将浆料刮成片状，再通过干燥工艺使片状浆料形成生坯。然后依据各层的设计钻导通孔，采用丝网印刷金属浆料进行布线和填孔，最后将各生坯层叠加，置于高温炉（1600℃）中烧结而成。

　　2、LTCC

　　LTCC又称低温共烧陶瓷技术，其制备工艺与HTCC类似，只是在Al2O3粉中混入质量分数30%~50%的低熔点玻璃料，使烧结温度降低至850~900℃，因此可以采用导电率较好的金、银作为电极和布线材料。

　　3、TFC

　　TFC即厚膜陶瓷基板，为一种后烧陶瓷基板。采用丝网印刷技术将金属浆料涂覆在陶瓷基片表面，经过干燥、高温烧结（700~800℃）后制备。金属浆料一般由金属粉末（Ag-Pd或Ag-Pt）、有机树脂和玻璃粉等组成。经高温烧结，树脂粘合剂被燃烧掉，剩下的几乎都是纯金属，由于玻璃质粘合作用在陶瓷基板表面。烧结后的金属层厚度为10~20μm，最小线宽为0.3mm。由于技术成熟，工艺简单，成本较低，TFC在对图形精度要求不高的电子封装中得到一定应用。

　　4、DBC

　　DBC又称直接键合铜陶瓷基板，由Al2O3陶瓷基片与铜箔在高温下（1065℃）共晶烧结而成，最后根据布线要求，以刻蚀方式形成线路。由于铜箔具有良好的导电、导热能力，而氧化铝能有效控制Cu-Al2O3-Cu复合体的膨胀，使DBC基板具有近似氧化铝的热膨胀系数，因此，DBC具有导热性好、绝缘性强、可靠性高等优点。

　　5、DPC

　　DPC又称直接镀铜陶瓷基板（Direct PlatedCopper）。其制作首先将陶瓷基片进行前处理清洗，利用真空溅射方式在基片表面沉积Ti/Cu层作为种子层，接着以光刻、显影、刻蚀工艺完成线路制作，最后再以电镀/化学镀方式增加线路厚度，待光刻胶去除后完成基板制作。

　　鉴于陶瓷具有良好的导热性、耐热性、高绝缘、高强度、低热胀、耐腐蚀和抗辐射等优点，陶瓷基板在功率器件和高温电子器件封装中得到广泛应用。目前，陶瓷基片材料主要有Al2O3、AlN、Si3N4、SiC、BeO和BN。由于Al2O3和AlN具有较好的综合性能，两者分别在低端和高端陶瓷基板市场占据主流，而Si3N4基板由于抗弯强度高，今后有望在高功率、大温变电力电子器件(如IGBT)封装领域发挥重要作用。

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