編者按

激光技術(shù)在3C電子領(lǐng)域中扮演的角色越來(lái)越重要，涉及切割、焊接、打孔等多種工藝。隨著電子產(chǎn)品向精細(xì)化、智能化逐步發(fā)展，更多材料應(yīng)用其中。充分了解電子產(chǎn)品使用的各種材料的特性，將有利于針對(duì)其特性采用更加適合的激光加工工藝技術(shù)和流程。

在今天這篇文章中，作者介紹了陶瓷電路板制造的4種工藝的原理及優(yōu)劣勢(shì)，同時(shí)，基于激光直寫(xiě)活化工藝和化學(xué)鍍銅沉積工藝的集成制造技術(shù)，將有望逐步成為陶瓷電路板制造的主流工藝。

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著計(jì)算機(jī)及互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信、平板顯示、太陽(yáng)能光伏和節(jié)能照明等電子信息產(chǎn)業(yè)的迅速普及，電子電器產(chǎn)品持續(xù)向數(shù)字化、小型化、柔性化、多功能化、高可靠性、低能耗等方向發(fā)展，與之密切相關(guān)的電子封裝技術(shù)進(jìn)入了超高速發(fā)展時(shí)期。

理想的電子封裝基板材料必須滿(mǎn)足以下基本要求：

1）高熱導(dǎo)率，低介電常數(shù)，有較好的耐熱、耐壓性能；

2）熱膨脹系數(shù)接近芯片材料Si或GaAs，避免芯片的熱應(yīng)力損壞；

3）有足夠的強(qiáng)度、剛度，對(duì)芯片和電子元器件起到支撐和保護(hù)的作用；

4）成本盡可能低，滿(mǎn)足大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的需求；

5）具有良好的加工、組裝和安裝性能。常用的電子封裝基板材料包括有機(jī)封裝基板、金屬基復(fù)合基板和陶瓷封裝基板三大類(lèi)。

相比傳統(tǒng)的基板材料，陶瓷基板有眾多優(yōu)點(diǎn)：

1）熱導(dǎo)率高，可以將高集成度封裝產(chǎn)生的熱量及時(shí)排出；

2）化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，在加工過(guò)程中能耐酸、堿、有機(jī)溶劑的浸蝕，不產(chǎn)生變色、溶脹等特性變化；

3）絕緣性能好，可靠性高；

4）介電系數(shù)較小，高頻特性好，可以降低信號(hào)延遲時(shí)間；

5）機(jī)械強(qiáng)度高，有良好的尺寸穩(wěn)定性，使元器件安裝精度高；

6）耐熱性能強(qiáng)，無(wú)機(jī)基板材料玻璃化溫度普遍高于有機(jī)基板材料，在熱沖擊和熱循環(huán)過(guò)程中不易損傷；

7）熱膨脹系數(shù)更接近硅，無(wú)機(jī)基板材料（2.3-10 ppm/℃）熱膨脹系數(shù)普遍低于有機(jī)基板材料（高于12 ppm/℃）。

因此，陶瓷材料逐漸發(fā)展成為新一代集成電路以及功率電子模塊的理想封裝基材，陶瓷電路板封裝技術(shù)也得到了廣泛的關(guān)注和迅速發(fā)展。表1 給出了常用陶瓷封裝材料與Si的性能對(duì)比，目前常用的陶瓷基板材料包括Al2O3、SiC、BeO以及AlN等。

表1常用封裝材料及Si的性能對(duì)比

常見(jiàn)的陶瓷金屬化技術(shù)包括：薄膜法、厚膜法、直接敷銅法和激光活化金屬化等方法。

1薄膜法

薄膜法作為一種晶片級(jí)制造技術(shù)，是微電子制造中金屬薄膜沉積的主要方法。圖1顯示了薄膜技術(shù)制備陶瓷電路板的工藝流程：首先通過(guò)蒸發(fā)、磁控濺射等面沉積工藝，在陶瓷表面沉積一層200-500 nm的Cu層作為種子層，以便后續(xù)的電鍍工藝開(kāi)展。然后，通過(guò)貼膜、曝光、顯影等工序完成圖形轉(zhuǎn)移，再電鍍使Cu層增長(zhǎng)到所需厚度，最終通過(guò)退膜、蝕刻工序完成導(dǎo)電線路的制作。圖2為眾城三維采用薄膜技術(shù)制備的氮化鋁封裝基板。

圖1 薄膜技術(shù)工藝流程

圖2 薄膜技術(shù)制備的LED模板

近年來(lái)，采用薄膜工藝制備的陶瓷電路板已在功率型LED封裝中顯示出了極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。但薄膜工藝依然存在許多問(wèn)題，包括金屬層與基板之間結(jié)合力不穩(wěn)定，沉積Cu層之前要先沉積一層Ti作為過(guò)渡層，用以增強(qiáng)Cu層與陶瓷的結(jié)合力，完成圖形轉(zhuǎn)移后還需要蝕刻Ti，增加了工藝復(fù)雜度。在制作雙面電路板時(shí)，沉積的種子層難以進(jìn)入微孔，出現(xiàn)孔壁無(wú)Cu的現(xiàn)象。另外薄膜技術(shù)的制造設(shè)備昂貴，需要高真空條件，生產(chǎn)效率較低。

2 厚膜法

厚膜法是在基板上通過(guò)絲網(wǎng)印刷技術(shù)、微筆直寫(xiě)技術(shù)和噴墨打印技術(shù)等微流動(dòng)直寫(xiě)技術(shù)在基板上直接沉積導(dǎo)電漿料，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)形成導(dǎo)電線路和電極的方法，該方法適用于大部分陶瓷基板。圖3為厚膜技術(shù)制作陶瓷電路板的工藝流程。厚膜導(dǎo)電漿料一般由尺寸微米甚至納米級(jí)的金屬粉末和少量玻璃粘結(jié)劑再加上有機(jī)溶劑組成。漿料中的玻璃粘結(jié)劑在高溫下與基板相結(jié)合，使導(dǎo)電相粘附在基板表面，形成導(dǎo)電線路。圖4為眾城三維公司采用厚膜技術(shù)制備的COB封裝基板。

圖3 厚膜技術(shù)工藝流程

圖4 厚膜技術(shù)制備的COB封裝基板

厚膜法中以絲網(wǎng)印刷技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)也很明顯：受限于導(dǎo)電漿料和絲網(wǎng)尺寸，制備的導(dǎo)線最小線寬難以低于60 μm，并且無(wú)法制作三維圖形，因此不適合小批量、精細(xì)電路板的生產(chǎn)。微筆直寫(xiě)技術(shù)和噴墨打印技術(shù)雖然能沉積高精度導(dǎo)電圖形，但是對(duì)漿料粘度要求較高，容易發(fā)生通道堵塞。并且，采用厚膜法成形的導(dǎo)電線路電學(xué)性能較差，僅能用于對(duì)功率和尺寸要求較低的電子器件中。

3直接敷銅法

直接敷銅（Direct Bonded Copper，DBC）技術(shù)主要是根據(jù)Al2O3陶瓷基板發(fā)展起來(lái)的陶瓷表面金屬化技術(shù)，后來(lái)又應(yīng)用于AlN陶瓷，已廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、電力、航空、航天及軍工等領(lǐng)域。1975年，J.F. Burgess和Y.S. Sun等人最早提出這一技術(shù)，將銅箔（厚度大于0.1 mm）在N2保護(hù)下，溫度1065℃-1083℃范圍內(nèi)直接鍵合到Al2O3陶瓷基片表面。

圖5 DBC技術(shù)工藝流程

圖5顯示了DBC技術(shù)制備電路板的工藝流程。純銅在熔融狀態(tài)下對(duì)Al2O3陶瓷不潤(rùn)濕，需要在反應(yīng)界面引入氧元素，高溫下產(chǎn)生的Cu-Cu2O共晶液對(duì) Al2O3有良好的潤(rùn)濕性，通過(guò)生成的CuAlO2作為過(guò)渡層，可以將銅箔直接敷接在Al2O3陶瓷基板上。一般氧的引入分為以下兩種方式：

1）將銅箔在空氣中預(yù)氧化，生成一定厚度的CuO；

2）將銅箔在氮?dú)庵腥跹趸梢欢ê穸鹊腃u2O。兩者所起作用幾乎相同，第一種方法實(shí)用性更強(qiáng)。圖6顯示了本公司采用DBC技術(shù)制備的高功率IGBT模塊。

圖6 DBC技術(shù)制備的高功率IGBT模塊

AlN陶瓷基板敷銅是基于DBC技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，日本東芝公司最早開(kāi)發(fā)了一種AlN陶瓷直接敷銅技術(shù)，隨后美國(guó)IXYS公司和德國(guó)Curamik電子公司分別量產(chǎn)了不同規(guī)格的AlN陶瓷覆銅板，并大規(guī)模應(yīng)用于電子制造業(yè)中。由于AlN陶瓷與銅箔幾乎不會(huì)發(fā)生反應(yīng)，即使在敷接過(guò)程中引入氧元素，會(huì)生成氣體，對(duì)敷接強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響，因此在敷接前對(duì)AlN陶瓷進(jìn)行表面處理，生成一層致密的Al2O3以提高結(jié)合強(qiáng)度。目前，國(guó)外Al2O3-DBC技術(shù)已經(jīng)成熟，AlN-DBC也已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，國(guó)內(nèi)只有少量科研單位有能力生產(chǎn)。

DBC技術(shù)主要的缺點(diǎn)是銅箔厚度較大，后續(xù)通過(guò)化學(xué)蝕刻過(guò)程很難得到高精度導(dǎo)線，而且界面氧元素難以控制，銅箔與陶瓷之間容易出現(xiàn)氣孔，導(dǎo)致最終器件性能不穩(wěn)定，還有待于進(jìn)一步的基礎(chǔ)技術(shù)研究。另外，受限于技術(shù)原理，銅箔敷接的方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)通孔金屬化。

4激光活化金屬化法

基于以上陶瓷金屬化技術(shù)的局限性，作者所在公司自主研發(fā)了激光活化金屬化技術(shù)（Laser Activation metallization, LAM），適用于各類(lèi)陶瓷材料表面導(dǎo)電線路的直接制備，不受限于試樣尺寸、形狀和材料的成分特性。

激光活化金屬化技術(shù)是一種兩步法工藝，原理示意圖如圖7。具體方法是將上述的激光直寫(xiě)工藝和傳統(tǒng)的化學(xué)鍍工藝結(jié)合到一起，以便進(jìn)一步提升成形效率、降低生產(chǎn)成本。將激光直寫(xiě)工藝與化學(xué)鍍工藝相結(jié)合，可以直接在非金屬基板表面成形導(dǎo)電線路。首先，由激光直寫(xiě)技術(shù)誘導(dǎo)金屬化合物分解沉積于基板表面，“植入”基板表面的金屬顆粒，形成隨后化學(xué)鍍的“催化”中心。事實(shí)上，這一步驟不僅植入了“催化”中心，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了電路板的圖形化。其次，化學(xué)鍍工藝不需外加電流，利用化學(xué)鍍液中的金屬鹽和還原劑在具有催化活性的基體材料表面進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生金屬沉積。化學(xué)鍍技術(shù)設(shè)備簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境污染小以及成本較低，因而已經(jīng)成為制造集成電路及微型器件的一種主要工藝。由于只有激光活化區(qū)域具有催化活性，因此激光活化金屬化技術(shù)可以在陶瓷板表面形成高精度、高純度金屬圖形。

圖7 激光活化金屬化技術(shù)原理示意圖

圖8 LAM技術(shù)制備的陶瓷管件

陶瓷電路板產(chǎn)業(yè)已發(fā)展多年，對(duì)于全球來(lái)講，早已不是新興產(chǎn)業(yè)，但在國(guó)內(nèi)，其應(yīng)用尚處于起步階段。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)制造企業(yè)以同欣、璦司柏和眾成三維等廠商牽頭，中小廠商也相繼涌入該領(lǐng)域。由于激光直寫(xiě)技術(shù)的柔性特點(diǎn)，基于激光直寫(xiě)活化工藝和化學(xué)鍍銅沉積工藝的集成制造技術(shù)未來(lái)有望取代現(xiàn)有主流陶瓷金屬化制造技術(shù)中的薄膜工藝、厚膜工藝或者直接敷銅工藝等，逐步成為陶瓷電路板制造的主流工藝。

作者

眾成三維電子（武漢）有限公司 呂銘 總經(jīng)理