中國(guó)粉體網(wǎng)訊 電子信息產(chǎn)業(yè)已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱性產(chǎn)業(yè)，其中集成電路是我國(guó)目前重點(diǎn)支持的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，而集成電路設(shè)計(jì)、制造和封裝測(cè)試是集成電路產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。微電子封裝不但直接影響著集成電路本身的電性能、機(jī)械性能、光性能和熱性能，影響其可靠性和成本，還在很大程度上決定著電子整機(jī)系統(tǒng)的小型化、多功能化、可靠性和成本，微電子封裝越來(lái)越受到人們的普遍重視，特別是隨著5G通訊技術(shù)和第三代半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)于微電子封裝材料和封裝技術(shù)提出了更高的要求。
電子封裝材料
電子封裝基片材料的種類很多，常用基片主要分為塑料封裝基片、金屬封裝基片和陶瓷封裝基片3大類，目前以塑料為封裝材料最為廣泛。但塑料封裝材料通常熱導(dǎo)率不高、可靠性不好，在要求較高的場(chǎng)合并不適用；金屬封裝材料熱導(dǎo)率高，但一般熱膨脹系數(shù)不匹配，而且價(jià)格較高；陶瓷封裝雖然不是主要的封裝形式，但其作為一種氣密性封裝，熱導(dǎo)率較高，毫無(wú)疑問(wèn)是今后封裝材料的發(fā)展方向。
那又有哪些陶瓷材料會(huì)被用以電子封裝呢？
1、Al2O3陶瓷
Al2O3陶瓷是目前應(yīng)用最成熟的陶瓷基片材料，其價(jià)格低廉，尺寸精度高，與金屬的附著力好，耐熱沖擊性和電絕緣性較好，制作和加工技術(shù)成熟是一種綜合性能較為理想的基片材料，因而使用最廣泛，占陶瓷基片材料的90%。
2、AIN陶瓷
AIN陶瓷基片是一種新型的基片材料，具有優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性、可靠的電絕緣性、低的介電常數(shù)和介電損耗、無(wú)毒，以及與硅相匹配的熱膨脹系數(shù)等一系列優(yōu)良特性，被認(rèn)為是新一代高集成度半導(dǎo)體基片和電子器件封裝的理想材料，受到了國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛重視。
但是，AIN陶瓷的制備工藝復(fù)雜，成本高，故至今仍未能進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)和應(yīng)用。
3、BN陶瓷
BN具有較好的綜合性能，但作為基片材料，它沒(méi)有突出的優(yōu)點(diǎn)，價(jià)格昂貴，而且熱膨脹系數(shù)又遠(yuǎn)小于Si的，易形成較大的熱應(yīng)力(Si在室溫至673℃范圍內(nèi)熱膨脹系數(shù)為(3.5～3.8)×10-6℃)，BN目前仍處于研究和推廣中。
4、氧化鈹(BeO)
BeO材料密度低，具有纖鋅礦型和強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，其粉末與基片均為白色。相對(duì)分子量較低，導(dǎo)致材料熱導(dǎo)率高，如純度為99%的BeO陶瓷室溫?zé)釋?dǎo)率可達(dá)310W/(m·K)。其禁帶寬度高達(dá)10.6eV，介電常數(shù)為6.7，彈性模量為350GPa，抗彎強(qiáng)度為200MPa，具有良好的綜合性能。
BeO的生產(chǎn)成本很高，這也限制了它的生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。其用途僅限于以下幾個(gè)方面:高功率晶體管的散熱片、高頻及大功率半導(dǎo)體器件的散熱蓋板、發(fā)射管、行波管、激光管、速調(diào)管等。
5、SiC陶瓷
SiC陶瓷的熱導(dǎo)率很高，是Al2O3的13倍，而且電絕緣性好，熱膨脹系數(shù)低于Al2O3和AIN。但是，SiC的介電常數(shù)太高，是AIN的4倍，耐壓強(qiáng)度低，所以僅適合密度較低的封裝而不適合高密度封裝。除了用于集成電路組件、陣列組件以及激光二極管等之外，也用于具有導(dǎo)電性的(機(jī)構(gòu))結(jié)構(gòu)零件。
6、Si3N4陶瓷
Si3N4陶瓷基片具有很高的電絕緣性能和化學(xué)穩(wěn)定性，熱穩(wěn)定性好，機(jī)械強(qiáng)度大，除了加壓燒結(jié)品外，也可做成絕緣薄膜使用，尤其是可用于制造高集成度的大規(guī)模集成電路板。
表1：常用封裝材料性能對(duì)比
目前來(lái)說(shuō)，就材料性質(zhì)而言，氮化鋁和氮化硅無(wú)疑是最好的封裝材料，但是考慮到成本因素，氧化鋁因其突出的性價(jià)比應(yīng)用最為廣泛。
電子封裝技術(shù)
電子陶瓷封裝基片的性能與其制備工藝是息息相關(guān)的，任何工序都會(huì)影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量。從結(jié)構(gòu)與制作工藝而言，陶瓷基板又可分為HTCC、LTCC、TFC、DBC、DPC等。
1、HTCC
HTCC又稱為高溫共燒多層陶瓷技術(shù)。制備過(guò)程中先將陶瓷粉（Al2O3或AlN）加入有機(jī)黏結(jié)劑，混合均勻后成為膏狀漿料，接著利用刮刀將漿料刮成片狀，再通過(guò)干燥工藝使片狀漿料形成生坯。然后依據(jù)各層的設(shè)計(jì)鉆導(dǎo)通孔，采用絲網(wǎng)印刷金屬漿料進(jìn)行布線和填孔，最后將各生坯層疊加，置于高溫爐（1600℃）中燒結(jié)而成。
2、LTCC
LTCC又稱低溫共燒陶瓷技術(shù)，其制備工藝與HTCC類似，只是在Al2O3粉中混入質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%~50%的低熔點(diǎn)玻璃料，使燒結(jié)溫度降低至850~900℃，因此可以采用導(dǎo)電率較好的金、銀作為電極和布線材料。
3、TFC
TFC即厚膜陶瓷基板，為一種后燒陶瓷基板。采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)將金屬漿料涂覆在陶瓷基片表面，經(jīng)過(guò)干燥、高溫?zé)Y(jié)（700~800℃）后制備。金屬漿料一般由金屬粉末（Ag-Pd或Ag-Pt）、有機(jī)樹(shù)脂和玻璃粉等組成。經(jīng)高溫?zé)Y(jié)，樹(shù)脂粘合劑被燃燒掉，剩下的幾乎都是純金屬，由于玻璃質(zhì)粘合作用在陶瓷基板表面。燒結(jié)后的金屬層厚度為10~20μm，最小線寬為0.3mm。由于技術(shù)成熟，工藝簡(jiǎn)單，成本較低，TFC在對(duì)圖形精度要求不高的電子封裝中得到一定應(yīng)用。
4、DBC
DBC又稱直接鍵合銅陶瓷基板，由Al2O3陶瓷基片與銅箔在高溫下（1065℃）共晶燒結(jié)而成，最后根據(jù)布線要求，以刻蝕方式形成線路。由于銅箔具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱能力，而氧化鋁能有效控制Cu-Al2O3-Cu復(fù)合體的膨脹，使DBC基板具有近似氧化鋁的熱膨脹系數(shù)，因此，DBC具有導(dǎo)熱性好、絕緣性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。
5、DPC
DPC又稱直接鍍銅陶瓷基板（Direct PlatedCopper）。其制作首先將陶瓷基片進(jìn)行前處理清洗，利用真空濺射方式在基片表面沉積Ti/Cu層作為種子層，接著以光刻、顯影、刻蝕工藝完成線路制作，最后再以電鍍/化學(xué)鍍方式增加線路厚度，待光刻膠去除后完成基板制作。
鑒于陶瓷具有良好的導(dǎo)熱性、耐熱性、高絕緣、高強(qiáng)度、低熱脹、耐腐蝕和抗輻射等優(yōu)點(diǎn)，陶瓷基板在功率器件和高溫電子器件封裝中得到廣泛應(yīng)用。目前，陶瓷基片材料主要有Al2O3、AlN、Si3N4、SiC、BeO和BN。由于Al2O3和AlN具有較好的綜合性能，兩者分別在低端和高端陶瓷基板市場(chǎng)占據(jù)主流，而Si3N4基板由于抗彎強(qiáng)度高，今后有望在高功率、大溫變電力電子器件(如IGBT)封裝領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
2020年10月29-30日，中國(guó)粉體網(wǎng)將在無(wú)錫舉辦“2020第三屆新型陶瓷技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇”。屆時(shí)，來(lái)自南京航空航天大學(xué)的傅仁利教授帶來(lái)題為《先進(jìn)電子封裝中的陶瓷材料及封裝技術(shù)》的報(bào)告，傅仁利教授將著重介紹基于陶瓷材料的封裝材料和封裝技術(shù)，并針對(duì)5G通訊和第三代半導(dǎo)體對(duì)封裝材料與封裝技術(shù)提出的挑戰(zhàn)提出了一些思索和建議。
參考資料：
[1]程浩等.電子封裝陶瓷基板
[2]郝洪順等.電子封裝陶瓷基片材料研究現(xiàn)狀
[3]張兆生等.電子封裝用陶瓷基片材料的研究進(jìn)展
[4]程浩等.功率電子封裝用陶瓷基板技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)展
