随着功率器件特别是第三代半导体的崛起与应用,半导体器件逐渐向大功率、小型化、集成化、多功能等方向发展,对封装基板性能也提出了更高要求。陶瓷基板具有热导率高、耐热性好、热膨胀系数低、机械强度高、绝缘性好、耐腐蚀、抗辐射等特点,在电子器件封装中得到广泛应用。
其中共烧多层陶瓷基板由于可将电极材料、基板、电子器件等一次性烧成,实现高度集成,而逐渐在高功率器件封装中推广应用。
共烧多层陶瓷基板由许多单片陶瓷基板经过叠层、热压、脱胶、烧结等工艺制成,由于层数可以做得比较多,因此布线密度较高,互连线长度也能尽可能地缩短,组装密度和信号传输速度均得以提高,因此能适应电子整机对电路小型化、高密度、多功能、高可靠、高速度、大功率的要求。
依据制备工艺中温度的差别,可将共烧陶瓷基板分为高温共烧陶瓷(High-temperatureco-fired ceramic,HTCC)多层基板和低温共烧陶瓷(Low-temperatureco-fired ceramic,LTCC)多层基板。
(a)HTCC陶瓷基板产品(b)LTCC陶瓷基板产品
其实两者的生产工艺基本相同,都要经过配制浆料、流延生带、干燥生坯、钻导通孔、网印填孔、网印线路、叠层烧结,最后进行切片等后处理的制备过程。只不过HTCC技术是烧结温度大于1000℃的共烧技术,通常在900℃以下先进行排胶处理,再在更高的温度环境1650~1850℃烧结成型。而LTCC相对于HTCC而言,烧结温度更低,一般低于950℃,由于HTCC基板存在烧结温度高,能耗巨大,金属导体材料受限等缺点,因而促使了LTCC工艺的发展。
典型的多层陶瓷基板制造过程
烧结温度的差别,最先影响的是材料的选择,进而影响制备出的产品的性能,导致两种产品适合不同的应用方向。
HTCC基板因烧成温度高,不能采用金、银、铜等低熔点金属材料,必须采用钨、钼、锰等难熔金属材料,制作成本较高,且这些材料电导率低,会造成信号延迟等缺陷,所以不适合做高速或高频微组装电路的基板。但由于材料烧结的温度更高,因而具有更高的机械强度、热导率以及化学稳定性,同时具有材料来源广泛和成本低、布线密度高等优点,HTCC基板在对热稳定性、基体机械强度、导热性、密封性、可靠性要求较高的大功率封装领域更有优势。
而LTCC基板是通过在陶瓷浆料中添加无定形玻璃、晶化玻璃、低熔点氧化物等材料来降低烧结温度,可以采用电导率高而熔点低的金、银、铜等金属作为导体材料,既降低了成本,又能获得良好的性能。并且由于玻璃陶瓷低介电常数和高频低损耗性能,使之非常适合应用于射频、微波和毫米波器件中。但由于在陶瓷浆料中添加了玻璃类材料,会使基板导热率偏低,烧结温度较低也使其机械强度不如HTCC基板。
因此,HTCC和LTCC的差异,也仍旧是一种性能此消彼长的情况,各有其优缺点,需根据具体应用条件选择合适的产品。
名称 | HTCC | LTCC |
基板介质材料 | 氧化铝 、莫来石、氮化铝等 | (1)微晶玻璃系材料; (2)玻璃+陶瓷复合系材料; (3)非晶玻璃系材料 |
导电金属材料 | 钨、钼、锰、钼-锰等 | 银、金 、铜、钯-银等 |
共烧温度 | 1650℃- 1850℃ | 950℃以下 |
优点 | (1)机械强度较高; (2)散热系数较高; (3)材料成本较低; (4)化学性能稳定; ( 5) 布线密度高 | (1)导电率较高; (2)制作成本较低; (3)有较小的热膨胀系数和介电常数且介电常数易调整; (4)有优良的高频性能; |
缺点 | ( 1)导电率较低;(2)制作成本较高 | (1)机械强度低;(2)散热系数低; (3)材料成本较高 |
应用领域 | 高可靠性微电子集成电路、大功率微组装电路、车载大功率电路等领域 | 高频无线通信领域、航空航天、存储器、驱动器、滤波器、传感器以及汽车电子等领域 |
参考来源:
大功率LED封装基板研究进展;王文君、王双喜、张丹、黄永俊、李少杰
(汕头大学工学院)
共烧陶瓷多层基板技术及其发展应用;姬忠涛、张正富(昆明理工大学材料与冶金工程学院)