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电子封装陶瓷基板
信息来源:《现代技术陶瓷》,2019,40(04):265-292 发布时间:2021-01-26 10:45:59
摘    要
       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(又称陶瓷电路板)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。本文分析了常用陶瓷基片材料(包括Al2O3、AlN、Si3N4、BeO、SiC和BN等)的物理特性,重点对各种陶瓷基板(包括薄膜陶瓷基板TFC、厚膜印刷陶瓷基板TPC、直接键合陶瓷基板DBC、直接电镀陶瓷基板DPC、活性金属焊接陶瓷基板AMB、激光活化金属陶瓷基板LAM以及各种三维陶瓷基板等)的制备原理、工艺流程、技术特点和具体应用等进行了论述,最后对电子封装陶瓷基板发展趋势进行了展望。

       第一代半导体以硅(Si)、锗(Ge)材料为代表,主要应用在数据运算领域,奠定了微电子产业基础。第二代半导体以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表,主要应用于通信领域,用于制作高性能微波、毫米波及发光器件,奠定了信息产业基础。随着技术发展和应用需要的不断延伸,二者的局限性逐渐体现出来,难以满足高频、高温、高功率、高能效、耐恶劣环境以及轻便小型化等使用需求。

       以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料具有禁带宽度大、临界击穿电压高、热导率高、载流子饱和漂移速度大等特点[1],其制作的电子器件可在300°C甚至更高温度下稳定工作(又称为功率半导体或高温半导体),是固态光源(如LED)、激光器(LD)、电力电子(如IGBT)、聚焦光伏(CPV)、微波射频(RF)等器件的“核芯”,在半导体照明、汽车电子、新一代移动通信(5G)、新能源与新能源汽车、高速轨道交通、消费类电子等领域具有广阔的应用前景,有望突破传统半导体技术瓶颈,与第一代、第二代半导体技术互补,在光电器件、电力电子、汽车电子、航空航天、深井钻探等领域具有重要应用价值,对节能减排、产业转型升级、催生新经济增长点将发挥重要作用。

       伴随着功率器件(包括LED、LD、IGBT、CPV等)不断发展,散热成为影响器件性能与可靠性的关键技术。对于电子器件而言,通常温度每升高10°C,器件有效寿命就降低30%~50%。因此,选用合适的封装材料与工艺、提高器件散热能力就成为发展功率器件的技术瓶颈。以大功率LED封装为例,由于输入功率的70%~80%转变成为热量(只有约20%~30%转化为光能)[2],且LED芯片面积小,器件功率密度很大(大于100 W/cm2),因此散热成为大功率LED封装必须解决的关键问题。

       如果不能及时将芯片发热导出并消散,大量热量将聚集在LED内部,芯片结温将逐步升高,一方面使LED性能降低(如发光效率降低、波长红移等),另一方面将在LED器件  内部产生热应力,引发一系列可靠性问题(如使用寿命、色温变化等)。

       封装基板主要利用材料本身具有的高热导率,将热量从芯片(热源)导出,实现与外界环境的热交换[3]。对于功率半导体器件而言,封装基板必须满足以下要求:
(1)高热导率。目前功率半导体器件均采用热电分离封装方式,器件产生的热量大部分经由封装基板传播出去,导热良好的基板可使芯片免受热破坏。(2)与芯片材料热膨胀系数匹配。功率器件芯片本身可承受较高温度,且电流、环境及工况的改变均会使其温度发生改变。由于芯片直接贴装于封装基板上,两者热膨胀系数匹配会降低芯片热应力,提高器件可靠性。(3)耐热性好,满足功率器件高温使用需求,具有良好的热稳定性。(4)绝缘性好,满足器件电互连与绝缘需求。(5)机械强度高,满足器件加工、封装与应用过程的强度要求。(6)价格适宜,适合大规模生产及应用。
   
        目前常用电子封装基板主要可分为高分子基板、金属基板(金属核线路板,MCPCB)和陶瓷基板几类[4]。对于功率器件封装而言,封装基板除具备基本的布线(电互连)功能外,还要求具有较高的导热、耐热、绝缘、强度与热匹配性能。因此,高分子基板(如PCB)和金属基板(如MCPCB)使用受到很大限制;而陶瓷材料本身具有热导率高、耐热性好、高绝缘、高强度、与芯片材料热匹配等性能,非常适合作为功率器件封装基板,目前已在半导体照明、激光与光通信、航空航天、汽车电子、深海钻探等领域得到广泛应用。

        本文主要介绍几种常用陶瓷基板并对陶瓷基板技术和发展趋势进行了展望。

       1. 陶瓷基片材料
       作为封装基板,要求陶瓷基片材料具有如下性能:(1)热导率高,满足器件散热需求;(2)耐热性好,满足功率器件高温(大于200°C)应用需求;(3)热膨胀系数匹配,与芯片材料热膨胀系数匹配,降低封装热应力;(4)介电常数小,高频特性好,降低器件信号传输时间,提高信号传输速率;(5)机械强度高,满足器件封装与应用过程中力学性能要求;(6)耐腐蚀性好,能够耐受强酸、强碱、沸水、有机溶液等侵蚀;(7)结构致密,满足电子器件气密封装需求;(8)其他性能要求,如对于光电器件应用,还对陶瓷基片材料颜色、反光率等提出了要求。
   
       目前,常用电子封装陶瓷基片材料包括氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)、氧化铍(BeO)等。下面分别介绍其性能与技术特点。
 
       氧化铝(Al2O3)
   
       氧化铝陶瓷呈白色,热导率为20 W/(m·K)~30 W/(m·K),25°C~200°C温度范围内热膨胀系数为7.0×10-6/°C~8.0×10-6/°C,弹性模量约为300 GPa,抗弯强度为300 MPa~400 MPa,介电常数为10,其粉料与样品如图1所示。

       氧化铝陶瓷基片成型方法主要有轧膜法、流延法和凝胶注膜法等。其中后两种方法采用去离子水代替有机溶剂,既可降低成本,也有利于环保,是Al2O3陶瓷片制备主要研究方向之一[5,6]。由于Al2O3晶格能较大,离子键较强,因此烧结温度较高[7],95%Al2O3陶瓷烧结温度为1650°C~1700°C,99%Al2O3陶瓷烧结温度则高达1800°C。如此高的烧结温度不仅导致制作成本偏高,而且所得到的产品晶粒粗大,气孔难以排除,导致Al2O3陶瓷气孔率增加,力学性能降低。研究表明,在原料中加入适量添加剂可降低烧结温度,降低陶瓷气孔率,提高陶瓷材料致密性与热导率。常用添加剂有生成液相型燃烧助剂(如SiO2、CaO、SrO和BaO等碱金属氧化物)、生成固溶体型烧结助剂(如TiO2、MnO2、Fe2O3和Cr2O3等)以及稀土烧结助剂(如Y2O3、La2O3、Sm2O3以及Nd2O3等稀土氧化物)。根据Al2O3粉料与添加剂的不同含量,可将Al2O3陶瓷分为75瓷、85瓷、96瓷、99瓷等不同牌号。

 
 图1(a)Al2O3陶瓷粉末和(b)Al2O3陶瓷基片Figure 1(a)Al2O3 ceramic powder and(b)Al2O3 ceramic substrate

       氧化铝陶瓷具有原料来源丰富、价格低廉、绝缘性高、耐热冲击、抗化学腐蚀及机械强度高等优点,是一种综合性能较好的陶瓷基片材料,占陶瓷基片材料总量的80%以上。但由于其热导率相对较低(99%氧化铝热导率约为30 W/(m·K),热膨胀系数较高,一般应用在汽车电子、半导体照明、电气设备等领域。
 
       氮化铝(AlN)
     
       氮化铝材料呈灰白色(如图2所示),属于六方晶系,是以[AlN4]四面体为结构单元的纤锌矿型共价键化合物。该结构决定了其具有优良的热学、电学和力学性能[8]。AlN陶瓷理论热导率可达320 W/(m·K),其商用产品热导率一般为180 W/(m·K)~260 W/(m·K)[9],25°C~200°C温度范围内热膨胀系数为4×10-6/°C(与Si和Ga As等半导体芯片材料基本匹配),弹性模量为310 GPa,抗弯强度为300 MPa~340 MPa,介电常数为8~10。


图2(a)AlN陶瓷粉末和(b)AlN陶瓷基片Figure 2(a)AlN ceramic powder and(b)AlN ceramic substrate
     
       AlN陶瓷烧结同样需要烧结助剂来改善性能,提高质量。常用助烧剂有Y2O3、CaO、Li2O、BaO、MgO、Sr O、La2O3、HfO2和CeO2等[10,11,12,13]。助烧剂的主要作用有两方面:一是形成低熔点物相,实现液相烧结进而降低烧结温度;二是与晶格中的杂质氧发生反应,使晶格完整化,进而提高陶瓷性能。一般而言,二元或多元烧结助剂往往可以获得更好的烧结效果。助烧剂加入方式有两种,一是直接添加,另一种是以可溶性硝酸盐形式制成前驱体原位生产烧结助剂。传统AlN陶瓷成型方法有模压、等静压和热压等,但这些方法生产周期长、效率低、制品各方向受力不均匀,无法满足电子封装需求。近年来业界逐步开发了流延成型、注凝成型、注射成型等工艺[14]。其中,流延法主要适用于制备片状产品,分为有机和无机体系。相对而言,有机流延体系具有溶剂选择范围广、干燥时间短、防止粉体水化等特点,但常用的醇、酮及苯等有机溶剂具有一定毒性,生产受到一定限制。因此,目前行业内主要采用水基流延成型法,但也存在坯体干燥易起泡和变形、烧结易开裂以及制品表面不光滑等问题。

        氮化铝陶瓷热导率为氧化铝陶瓷的6~8倍,但热膨胀系数只有其50%,此外还具有绝缘强度高、介电常数低、耐腐蚀性好等优势。除了成本较高外,氮化铝陶瓷综合性能均优于氧化铝陶瓷,是一种非常理想的电子封装基片材料,尤其适用于导热性能要求较高的领域。
       
        氮化硅陶瓷(Si3N4)
   
        Si3N4具有三种晶体结构,分别是α相、β相和γ相(其中α与β相是最常见形态),均为六方结构,其粉料与基片呈灰白色,如图3所示。Si3N4陶瓷基片弹性模量为320 GPa,抗弯强度为920 MPa,热膨胀系数仅为3.2×10-6/°C,介电常数为9.4,具有硬度大、强度高、热膨胀系数小、耐腐蚀性高等优势。

        由于Si3N4陶瓷晶体结构复杂,对声子散射较大,因此早期研究认为其热导率低[15],如Si3N4轴承球、结构件等产品热导率只有15 W/(m·K)~30 W/(m·K)。1995年,Haggerty等人[16]通过经典固体传输理论计算表明,Si3N4材料热导率低的主要原因与晶格内缺陷、杂质等有关,并预测其理论值最高可达320 W/(m·K)。之后,在提高Si3N4材料热导率方面出现了大量的研究,通过工艺优化,氮化硅陶瓷热导率不断提高,目前已突破177 W/(m·K)[17]。


图3(a)氮化硅陶瓷粉末和(b)氮化硅陶瓷基片Figure 3(a)Si3N4 ceramic powder and(b)Si3N4 ceramic substrate
 
       Si3N4陶瓷传热机制同样为声子传热。晶格中的杂质往往伴随着空位、位错等结构缺陷,降低了声子平均自由程,导致热导率降低,因此制备高纯粉体是制备高热导率Si3N4陶瓷的关键。目前,市场上商用Si3N4粉料制备方法主要有两种,分别为硅粉直接氮化法及硅亚胺热解法。

       前者工艺较成熟,生产成本低,因此国内外大多数企业使用该法来生产Si3N4粉料。但该方法所生产的Si3N4粉料含有Fe、Ca、Al等杂质,虽然可以通过酸洗去除,但大大增加了生产成本。后者可制备出具有较高烧结活性的Si3N4粉料,不含金属杂质元素,粒径分布在0.2μm~1μm,且产量巨大,但技术难度较高。

       Si3N4陶瓷烧结助剂一般为金属氧化物、稀土氧化物或二者的混合物。Zhou等人[17]采用Y2O3-MgO烧结助剂制备出氮化硅热导率高达177 W/(m·K),这是目前为止报道的Si3N4陶瓷最高热导率。但是,氧化物烧结助剂会在Si3N4晶体中引入氧原子,导致热导率降低。采用非氧化物烧结助剂可减少氧含量,对于净化Si3N4晶格、减少晶界玻璃相、提高热导率及高温力学性能具有重要意义。
       
       梁振华等人[18]分别以MgSiN2和MgSiN2与Y2O3混合物作为烧结助剂,在相同条件下制备Si3N4陶瓷,前者热导率为90 W/(m·K),而后者仅为70 W/(m·K)。Hayashi等人[19]以Yb2O3-MgSiN2和Yb2O3-MgO作为烧结助剂,在相同条件下制备Si3N4陶瓷,结果发现前者热导率更高。
 
        Si3N4陶瓷烧结方法主要有反应烧结、常压烧结、热压烧结和放电等离子烧结等。反应烧结具有线收缩率低、成本低等优点,但其致密度低、力学性能差、热导率低。常压烧结与热压烧结制备的Si3N4陶瓷具有较好的机械性能,但热导率偏低,成本较高。气压烧结是指在烧结过程中施加压力约为1 MPa~10 MPa的气体(通常为N2)以抑制Si3N4分解,促进粉料致密化,获得高密度产品。放电等离子烧结是一种通过压力场、温度场和电流场等效应烧结制备陶瓷的新技术。
        在现有可作为基板材料使用的陶瓷材料中,Si3N4陶瓷抗弯强度高(大于800 MPa),耐磨性好,是综合机械性能最好的陶瓷材料,同时其热膨胀系数最小,因而被认为是一种很有潜力的功率器件封装基片材料。但是其制备工艺复杂,成本较高,热导率偏低,主要适合应用于强度要求较高但散热要求不高的领域。

        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,如图4所示。BeO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310 W/(m·K)[20];其禁带宽度高达10.6 eV,介电常数为6.7,弹性模量为350 GPa,抗弯强度为200 MPa,具有良好的综合性能。


图4(a)BeO陶瓷粉末和(b)BeO陶瓷基片Figure 4(a)BeO ceramic powder and(b)BeO ceramic substrate
   
       但是,BeO材料也存在一些不足,包括:(1)BeO粉体具有毒性,人体大量吸入后将导致急性肺炎,长期吸入会引起慢性铍肺病,因此在生产过程中要采用特殊防护措施;(2)BeO烧结温度高达1900°C以上,生产成本高;(3)热导率随着温度升高而降低,如在0°C~600°C温度范围内,BeO陶瓷平均热导率为206.67 W/(m·K),但当温度升高到800°C时,其热导率降低为十分之一[21],上述原因限制了氧化铍的推广应用。但在某些大功率、高频半导体器件以及航空电子设备和卫星通讯中,为了追求高导热和理想高频特性,仍在采用BeO陶瓷基片。
   
       目前,美国是全球主要的BeO陶瓷基板生产和消费国,福特和通用等汽车公司在点火装置中大量使用BeO陶瓷基板。

       其它陶瓷基片材料
     
        除了上述陶瓷材料外,碳化硅(SiC)、氮化硼(BN)等也都可作为陶瓷基片材料。其中,SiC单晶材料室温热导率可达490 W/(m·K)[22],但SiC多晶体热导率仅为67 W/(m·K)。此外,SiC材料介电常数为40,是AlN陶瓷的4倍,限制了其高频应用。BN材料具有较好的综合性能,但作为基片材料,它没有突出优点,且价格昂贵,与半导体材料热膨胀系数也不匹配,目前仍处于研究中。SiC和BN陶瓷基板如图5所示。表1对几种常用的陶瓷基片材料性能进行了对比。


图5(a)SiC陶瓷基片和(b)BN陶瓷基片Figure 5(a)SiC ceramic substrate and(b)BN ceramic substrate


表1 常用陶瓷基片材料性能
Table1 Properties of common ceramic materials       
                          
       陶瓷基板发展趋势分析 
     
       陶瓷基板具有高导热、高耐热、高绝缘、高强度、低热胀、耐腐蚀及抗辐射等特点,在功率器件及高温电子器件封装中得到广泛应用。随着半导体技术不断发展,功率器件也将逐渐向大功率、小型化、集成化、多功能等方向发展,对封装用陶瓷基板性能也提出了更高要求,具体表现在以下几个方面。

       陶瓷基片材料多样化:氧化铝(Al2O3)材料热导率低,热膨胀系数较高,但因其技术成熟,成本低,综合性价比高,将在今后很长时间内占据陶瓷基板主导地位。氮化铝(AlN)材料热导率高,热膨胀系数低,但价格高,目前仅限于导热性能要求较高的功率器件(如LD)封装。氮化硅(Si3N4)材料热导率适中,热膨胀系数小,抗弯强度高(大于800 MPa),是一种很有潜力的功率器件封装基板材料,特别是在大功率、大温变、高可靠的电力电子器件(如IGBT)封装。但总体而言,目前陶瓷基片价格偏高,原因在于国内陶瓷基片厂家大多依赖进口陶瓷粉料。因此今后陶瓷基片主要研究方向包括超细、超纯粉料制备,多元助烧剂(主要为碱金属氧化物和稀土元素)组合,无害、高效、高精度成型技术及先进烧结技术研发,从而不断降低陶瓷基片成本。
   
        陶瓷基板高精度与小型化:为了满足器件小型化发展要求,必须不断提高陶瓷基板线路层加工精度(线宽/线距)。

        对于TPC、HTCC/LTCC和MSC陶瓷基板,其线路层采用丝网印刷金属浆料制备,图形精度较低(一般大于100μm)。对于DBC和AMB陶瓷基板,其线路层通过湿法腐蚀金属铜层得到,由于铜层较厚,其图形精度也较低(一般大于200μm)。而对于DPC、MPC和DMC陶瓷基板,其线路层通过图形电镀生长制备,图形精度高(一般可控制在小于50μm,取决于线路层厚度)。因此,对于集成度较高和小型化功率器件封装,开始逐渐采用图形精度较高的DPC陶瓷基板(如图36)。

        陶瓷基板集成化:一般而言,TPC、DBC和AMB陶瓷基板只适合制备单面线路层(或双面线路层,但上下层不导通)。如果要实现上下层导通,需要先激光打孔(孔径一般大于200μm),然后孔内填充金属浆料后烧结而成,孔内金属层导电、导热性差,基板可靠性低。HTCC/LTCC基板采用多层生胚片叠加(金属通孔对准)后烧结制备,因此可实现基板内垂直互连,提高封装集成度,但HTCC/LTCC基板电阻率较大,电流通载能力较低。DPC陶瓷基板可以采用激光打孔(孔径一般为60μm~120μm)和电镀填孔技术制备金属通孔,由于孔内电镀填充致密铜柱,导电导热性能优良,因而可实现陶瓷基板上下线路层垂直互连。在此基础上,通过电镀增厚等技术制备围坝,可得到含围坝结构的三维陶瓷基板;如果采用焊接/粘接技术实现多片DPC基板垂直集成,则可以进一步得到多层陶瓷基板(Multilayer Ceramic Substrate,MLC,如图37),满足功率器件三维封装和异质集成需求。


图6 多层陶瓷基板及其封装集成Figure 37 Multilayer ceramic substrate and packaging integration using MLC
   
        面向具体应用的陶瓷基板技术研发:一方面,随着第三代半导体(包括Ga N、SiC、Al N等)技术发展,功率器件开始在半导体照明、电力电子、微波射频、5G通信、新能源及新能源汽车等领域飞速发展,对陶瓷基板需求激增。目前由于陶瓷基板制备技术和标准缺失,国内企业主要跟踪美国、日本等技术先进国家进行研发与生产,高端产品(特别是图形精度高、电流通载能力强等)完全依赖进口;另一方面,航空航天、武器装备、深海钻探、汽车电子等领域恶劣环境(高温、超低温、大温变、高湿、强腐蚀、高辐射、高频振动等)对封装陶瓷基板也提出了新要求(解决陶瓷基板体积和重量大、耐热性差、可靠性差等问题)。

        总体而言,陶瓷基板在功率器件封装中占据举足轻重的作用,是各国重点研发的关键电子材料。因此迫切需要加强陶瓷基板核心技术研发(包括陶瓷粉料、基片及基板制备技术等),满足国内飞速发展的市场需求。

       结束语

       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、Si C、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。

       平面陶瓷基板主要包括薄膜陶瓷基板(TFC)、厚膜印刷陶瓷基板(TPC)、直接键合陶瓷基板(DBC)、活性金属焊接陶瓷基板(AMB)、直接电镀陶瓷基板(DPC)和激光活化金属陶瓷基板(LAM)等。其中,TFC基板图形精度高,但金属层较薄,主要应用于小电流光电器件封装;TPC基板耐热性好,成本低,但线路层精度差,主要应用于汽车传感器等领域;DBC和AMB基板线路层较厚,耐热性较好,主要应用于高功率、大温变的IGBT封装;DPC基板具有图形精度高、可垂直互连等优点,主要应用于大功率LED封装;而LAM基板则满足了航空航天领域异型陶瓷结构件散热需求。

       为了实现器件气密封装,业界开发了多种三维陶瓷基板制备技术,主要包括高温/低温共烧陶瓷基板(HTCC/LTCC)、多层烧结三维陶瓷基板(MSC)、直接粘结三维陶瓷基板(DAC)、多层镀铜三维陶瓷基板(MPC)和直接成型三维陶瓷基板(DMC)等。其中,HTCC/LTCC、MSC基板均采用丝网印刷与高温烧结工艺制备,腔体可靠性高,但金属线路层精度较差;MPC、DAC和DMC基板通过在DPC基板上电镀、粘接和固化成型围坝,具有金属线路层精度高,围坝与基板结合强度高等优点,有望在今后的功率器件气密封装、三维封装与集成领域发挥重要作用。后期陶瓷基板将主要沿着高精度、小型化、集成化方向发展。

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