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陶瓷PCB的优缺点及应用
2022-06-06
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陶瓷PCB在电子封装过程中基板主要起机械支撑保护与电互连(绝缘)作用。随着电子封装技术逐渐向着小型化、高密度、多功能和高可靠性方向发展示,电子系统的功率密度随之增加,散热问题越来越严重。器件的散热影响条件众多,其中基板材料的选用也是关键的一环。为了提高这些微电子器件性能 (特别是可靠性),必须将其芯片封装在真空或保护气体中,实现气密封装 (芯片置于密闭腔体中,与外界氧气、湿气、灰尘等隔绝)。因此,必须首先制备含腔体 (围坝)结构的三维基板,满足封装应用需求。目前常见的三维陶瓷基板主要有:高/低温共烧陶瓷基板( HTCC/LTCC) 、多层烧结三维陶瓷基板 (MSC)、直接粘接三维陶瓷基板 (DAC)、多层镀铜三维陶瓷基板(MPC)以及直接成型三维陶瓷基板(DMC) 等。

目前,电子封装常用的基板材料主要有四大类:聚合物基板;金属基板;复合基板;陶瓷基板。陶瓷基板材料以其强度高、绝缘性好、导热和耐热性能优良、热膨胀系数小、化学稳定性好等优点,广泛应用于电子封装基板。陶瓷封装基板材料主要包括Al2O3、BeO和AlN等。目前,Al2O3陶瓷是应用最成熟的陶瓷封装材料,以其耐热冲击性和电绝缘性较好、制作和PCB加工技术成熟而被广泛应用。相对于塑料基和金属基,其优点是:
(1)低介电常数,高频性能好。
(2)绝缘性好、可靠性高。
(3)强度高,热稳定性好。
(4)热膨胀系数低,热导率高。
(5)气密性好,化学性能稳定。
(6)耐湿性好,不易产生微裂现象。

陶瓷封装材料缺点是:成本较高,适用于高级微电子器件的封装,如航空航天和军事工程的高可靠、高频、耐高温、气密性强的封装。

在移动通信、家用电器、汽车等领域也有着广泛应用。部分国家相继开发出多层陶瓷基片,使其成为一种广泛应用的高技术陶瓷,从结构与制作工艺,陶瓷基板可分为高温共烧多层陶瓷基板、低温共烧陶瓷基板、厚膜陶瓷基板、直接键合铜陶瓷基板等。

高温共烧多层陶瓷基板制备工艺是:先将陶瓷粉(Si3N4、Al2O3、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。因为烧结温度高,导致金属导体材料的选择受限(主要为熔点较高但导电性较差的钨、钼、锰等金属),制作成本高,热导率一般在20~200W/(m ℃),取决于陶瓷粉体组成与纯度。

此外,受到丝网印刷工艺限制,HTCC基板线路精度较差,难以满足高精度封装需求。但HTCC基板具有较高机械强度和热导率 [20 W/(m·K) ~ 200 W/(m·K)],物化性能稳定,适合大功率及高温环境下器件封装。将HTCC工艺应用于微型蒸汽推进器,制备的微型加热器比硅基推进器效率更高,能耗降低 21%以上。为了降低HTCC制备工艺温度,同时提高线路层导电性,业界开发了LTCC基板。与HTCC制备工艺类似,只是LTCC制备在陶瓷浆料中加入了一定量玻璃粉来降低烧结温度,同时使用导电性良好的Cu、Ag和Au等制备金属浆料。

低温共烧陶瓷基板制备工艺与高温共烧多层陶瓷基板类似,其区别是在Al2O3粉体中混入质量分数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。但另一方面,因为低温共烧陶瓷基板陶瓷料中含有玻璃相,其综合热导率仅为2~3W/(m·℃)。此外,由于低温共烧陶瓷基板采用丝网印刷技术制作金属线路,有可能因张网问题造成对位误差。而且多层陶瓷叠压烧结时还存在收缩比例差异问题,影响成品率。

由于在陶瓷浆料中添加了玻璃粉,导致基板热导率偏低 [一般仅为 3 W/(m·K) ~ 7 W/(m·K)]。此外与HTCC一样,由于LTCC基板采用丝网印刷技术制作金属线路,有可能因张网问题造成对位误差,导致金属线路层精度低。而且多层陶瓷生胚叠压烧结时还存在收缩比例差异问题,影响成品率,一定程度上制约了LTCC基板技术发展。经过表面处理将LTCC基板翘曲由150μm ~ 250μm降低至80μm ~ 110μm。通过改进LTCC基板封装形式,去掉芯片与金属基底间绝缘层,模拟和实验结果显示其热阻降低为7.3 W/(m·K),满足大功率LED封装需求。

这里需要注意的是,在实际生产中,为了提高低温共烧陶瓷基板导热性能,可在贴片区增加导热孔或导电孔,但缺点是会造成成本增加。同时为了拓展陶瓷基板的应用领域,一般采用多层叠压共烧工艺,可以制备出含腔体的多层结构(通常称为陶瓷管壳而非陶瓷基板),满足电子器件气密封装要求,广泛应用于航空航天等环境恶劣及光通信等可靠性要求较高的领域。

与HTCC/LTCC基板一次成型制备三维陶瓷基板不同,有些工厂采用多次烧结法制备了MSC基板。其工艺首先制备厚膜印刷陶瓷基板(TPC),随后通过多次丝网印刷将陶瓷浆料印刷于平面TPC基板上,形成腔体结构,再经高温烧结而成,得到的MSC基板样品。由于陶瓷浆料烧结温度一般在800°C左右,因此要求下部的TPC基板线路层必须能耐受如此高温,防止在烧结过程中出现脱层或氧化等缺陷。

TPC基板线路层由金属浆料高温烧结 (一般温度为850°C ~ 900°C) 制备,具有较好的耐高温性能,适合后续采用烧结法制备陶瓷腔体。MSC基板技术生产设备和工艺简单,平面基板与腔体结构独立烧结成型,且由于腔体结构与平面基板均为无机陶瓷材料,热膨胀系数匹配,制备过程中不会出现脱层、翘曲等现象。

其缺点在于下部TPC基板线路层与上部腔体结构均采用丝网印刷布线,图形精度较低。同时因受丝网印刷工艺限制,所制备的MSC基板腔体厚度 (深度) 有限。因此MSC三维基板仅适用于体积较小、精度要求不高的电子器件封装。许多微电子器件 (如加速度计、陀螺仪、深紫外 LED等) 芯片对空气、湿气、灰尘等非常敏感。如LED芯片理论上可工作10万小时以上,但水汽侵蚀会大大缩短其寿命 (甚至降低至几千小时)。爱彼电路(iPcb®)是专业高精密PCB电路板研发生产厂家,可批量生产4-46层pcb板,电路板,线路板,高频板,高速板,HDI板,pcb线路板,高频高速板,双面,多层线路板,hdi电路板,混压电路板,高频电路板,软硬结合板等

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