LED封裝領(lǐng)域用陶瓷基板現(xiàn)狀與發(fā)展簡要分析

　陶瓷基板材料以其優(yōu)良的導(dǎo)熱性和氣密性，廣泛應(yīng)用于功率電子、電子封裝、混合微電子與多芯片模塊等領(lǐng)域。本文簡要介紹了目前陶瓷基板的現(xiàn)狀與以后的發(fā)展。

　1、 塑料和陶瓷材料的比較

　　塑料尤其是環(huán)氧樹脂由于比較好的經(jīng)濟(jì)性，至目前為止依然占據(jù)整個電子市場的統(tǒng)治地位，但是許多特殊領(lǐng)域比如高溫、線膨脹系數(shù)不匹配、氣密性、穩(wěn)定性、機(jī)械性能等方面顯然不適合，即使在環(huán)氧樹脂中添加大量的有機(jī)溴化物也無濟(jì)于事。

　　相對于塑料材料，陶瓷材料也在電子工業(yè)扮演者重要的角色，其電阻高，高頻特性突出，且具有熱導(dǎo)率高、化學(xué)穩(wěn)定性佳、熱穩(wěn)定性和熔點(diǎn)高等優(yōu)點(diǎn)。在電子線路的設(shè)計(jì)和制造非常需要這些的性能，因此陶瓷被廣泛用于不同厚膜、薄膜或和電路的基板材料，還可以用作絕緣體，在熱性能要求苛刻的電路中做導(dǎo)熱通路以及用來制造各種電子元件。

　　2、 各種陶瓷材料的比較

　　2.1 Al2O3

　　到目前為止，氧化鋁基板是電子工業(yè)中最常用的基板材料，因?yàn)樵跈C(jī)械、熱、電性能上相對于大多數(shù)其他氧化物陶瓷，強(qiáng)度及化學(xué)穩(wěn)定性高，且原料來源豐富，適用于各種各樣的技術(shù)制造以及不同的形狀。

　　2.2 BeO

　　具有比金屬鋁還高的熱導(dǎo)率，應(yīng)用于需要高熱導(dǎo)的場合，但溫度超過300℃后迅速降低，

　　最重要的是由于其毒性限制了自身的發(fā)展。

　　2.3 AlN

　　AlN有兩個非常重要的性能值得注意：一個是高的熱導(dǎo)率，一個是與Si相匹配的膨脹系數(shù)。缺點(diǎn)是即使在表面有非常薄的氧化層也會對熱導(dǎo)率產(chǎn)生影響，只有對材料和工藝進(jìn)行嚴(yán)格控制才能制造出一致性較好的AlN基板。目前大規(guī)模的AlN生產(chǎn)技術(shù)國內(nèi)還是不成熟，相對于Al2O3，AlN價(jià)格相對偏高許多，這個也是制約其發(fā)展的瓶頸。綜合以上原因，可以知道，氧化鋁陶瓷由于比較優(yōu)越的綜合性能，在目前微電子、功率電子、混合微電子、功率模塊等領(lǐng)域還是處于主導(dǎo)地位而被大量運(yùn)用。

　　陶瓷基板材料以其優(yōu)良的導(dǎo)熱性和氣密性，廣泛應(yīng)用于功率電子、電子封裝、混合微電子與多芯片模塊等領(lǐng)域。本文簡要介紹了目前陶瓷基板的現(xiàn)狀與以后的發(fā)展。

　1、 塑料和陶瓷材料的比較

　　塑料尤其是環(huán)氧樹脂由于比較好的經(jīng)濟(jì)性，至目前為止依然占據(jù)整個電子市場的統(tǒng)治地位，但是許多特殊領(lǐng)域比如高溫、線膨脹系數(shù)不匹配、氣密性、穩(wěn)定性、機(jī)械性能等方面顯然不適合，即使在環(huán)氧樹脂中添加大量的有機(jī)溴化物也無濟(jì)于事。

　　相對于塑料材料，陶瓷材料也在電子工業(yè)扮演者重要的角色，其電阻高，高頻特性突出，且具有熱導(dǎo)率高、化學(xué)穩(wěn)定性佳、熱穩(wěn)定性和熔點(diǎn)高等優(yōu)點(diǎn)。在電子線路的設(shè)計(jì)和制造非常需要這些的性能，因此陶瓷被廣泛用于不同厚膜、薄膜或和電路的基板材料，還可以用作絕緣體，在熱性能要求苛刻的電路中做導(dǎo)熱通路以及用來制造各種電子元件。

　　2、 各種陶瓷材料的比較

　　2.1 Al2O3

　　到目前為止，氧化鋁基板是電子工業(yè)中最常用的基板材料，因?yàn)樵跈C(jī)械、熱、電性能上相對于大多數(shù)其他氧化物陶瓷，強(qiáng)度及化學(xué)穩(wěn)定性高，且原料來源豐富，適用于各種各樣的技術(shù)制造以及不同的形狀。

　　2.2 BeO

　　具有比金屬鋁還高的熱導(dǎo)率，應(yīng)用于需要高熱導(dǎo)的場合，但溫度超過300℃后迅速降低，

　　最重要的是由于其毒性限制了自身的發(fā)展。

　　2.3 AlN

　　AlN有兩個非常重要的性能值得注意：一個是高的熱導(dǎo)率，一個是與Si相匹配的膨脹系數(shù)。缺點(diǎn)是即使在表面有非常薄的氧化層也會對熱導(dǎo)率產(chǎn)生影響，只有對材料和工藝進(jìn)行嚴(yán)格控制才能制造出一致性較好的AlN基板。目前大規(guī)模的AlN生產(chǎn)技術(shù)國內(nèi)還是不成熟，相對于Al2O3，AlN價(jià)格相對偏高許多，這個也是制約其發(fā)展的瓶頸。綜合以上原因，可以知道，氧化鋁陶瓷由于比較優(yōu)越的綜合性能，在目前微電子、功率電子、混合微電子、功率模塊等領(lǐng)域還是處于主導(dǎo)地位而被大量運(yùn)用。

　　3、 陶瓷基板的制造

　　制造高純度的陶瓷基板是很困難的，大部分陶瓷熔點(diǎn)和硬度都很高，這一點(diǎn)限制了陶瓷機(jī)械加工的可能性，因此陶瓷基板中常常摻雜熔點(diǎn)較低的玻璃用于助熔或者粘接，使最終產(chǎn)品易于機(jī)械加工。Al2O3、BeO、AlN基板制備過程很相似，將基體材料研磨成粉直徑在幾微米左右，與不同的玻璃助熔劑和粘接劑（包括粉體的MgO、CaO）混合，此外還向混合物中加入一些有機(jī)粘接劑和不同的增塑劑再球磨防止團(tuán)聚使成分均勻，成型生瓷片，最后高溫?zé)Y(jié)。目前陶瓷成型主要有如下幾種方法：

　　●輥軸軋制 將漿料噴涂到一個平坦的表面，部分干燥以形成黏度像油灰狀的薄片，再將薄片送入一對大的平行輥軸中軋碾得到厚度均勻的生瓷片。

　　●流延 漿料通過鋒利的刀刃涂復(fù)在一個移動的帶上形成薄片。與其他工藝相比這是一種低壓的工藝。

　　●粉末壓制 粉末在硬模具腔內(nèi)并施加很大的壓力（約138MPa）下燒結(jié)，盡管壓力不均勻可能產(chǎn)生過度翹曲但這一工藝生產(chǎn)的燒結(jié)件非常致密，容差較小。

　　●等靜壓粉末壓制 這種工藝使用使用周圍為水或者為甘油的模及使用高達(dá)69MPa的壓力這種壓力更為均勻所制成的部件翹曲更小。

　　●擠壓 漿料通過模具擠出這種工藝使用的漿料黏度較低，難以獲得較小容差，但是這種工藝非常經(jīng)濟(jì)，并且可以得到比其他方法更薄的部件。

　　4 、基板種類及其特性比較

　　現(xiàn)階段較普遍的陶瓷散熱基板種類共有HTCC、LTCC、DBC、DPC四種，其中HTCC屬于較早期發(fā)展的技術(shù)，但由于燒結(jié)溫度較高使其電極材料的選擇受限，且制作成本相對昂貴，這些因素促使LTCC的發(fā)展，LTCC雖然將共燒溫度降至約850℃，但缺點(diǎn)是尺寸精確度、產(chǎn)品強(qiáng)度等不易控制。而DBC與DPC則為國內(nèi)近幾年才開發(fā)成熟，且能量產(chǎn)化的專業(yè)技術(shù)，DBC是利用高溫加熱將Al2O3與Cu板結(jié)合，其技術(shù)瓶頸在于不易解決Al2O3與Cu板間微氣孔產(chǎn)生之問題，這使得該產(chǎn)品的量產(chǎn)能量與良率受到較大的挑戰(zhàn)，而DPC技術(shù)則是利用直接鍍銅技術(shù)，將Cu沉積于Al2O3基板之上，其工藝結(jié)合材料與薄膜工藝技術(shù)，其產(chǎn)品為近年最普遍使用的陶瓷散熱基板。然而其材料控制與工藝技術(shù)整合能力要求較高，這使得跨入DPC產(chǎn)業(yè)并能穩(wěn)定生產(chǎn)的技術(shù)門檻相對較高。

　　4.1 LTCC (Low-Temperature Co-fired Ceramic)

　　LTCC 又稱為低溫共燒多層陶瓷基板，此技術(shù)須先將無機(jī)的氧化鋁粉與約30%~50%的玻璃材料加上有機(jī)黏結(jié)劑，使其混合均勻成為泥狀的漿料，接著利用刮刀把漿料刮成片狀，再經(jīng)由一道干燥過程將片狀漿料形成一片片薄薄的生胚，然后依各層的設(shè)計(jì)鉆導(dǎo)通孔，作為各層訊號的傳遞，LTCC內(nèi)部線路則運(yùn)用網(wǎng)版印刷技術(shù)，分別于生胚上做填孔及印制線路，內(nèi)外電極則可分別使用銀、銅、金等金屬，最后將各層做疊層動作，放置于850~900℃的燒結(jié)爐中燒結(jié)成型，即可完成。詳細(xì)制造過程LTCC生產(chǎn)流程圖4.1

圖4.1LTCC生產(chǎn)流程圖

　　4.2 HTCC (High-Temperature Co-fired Ceramic)

　　HTCC又稱為高溫共燒多層陶瓷，生產(chǎn)制造過程與LTCC極為相似，主要的差異點(diǎn)在于HTCC的陶瓷粉末并無加入玻璃材質(zhì)，因此，HTCC的必須再高溫1300~1600℃環(huán)境下干燥硬化成生胚，接著同樣鉆上導(dǎo)通孔，以網(wǎng)版印刷技術(shù)填孔與印制線路，因其共燒溫度較高，使得金屬導(dǎo)體材料的選擇受限，其主要的材料為熔點(diǎn)較高但導(dǎo)電性卻較差的鎢、鉬、錳…等金屬，最后再疊層燒結(jié)成型。

　　4.3 DBC (Direct Bonded Copper)

　　直接敷銅技術(shù)是利用銅的含氧共晶液直接將銅敷接在陶瓷上，其基本原理就是敷接過程前或過程中在銅與陶瓷之間引入適量的氧元素，在1065℃~1083℃范圍內(nèi)，銅與氧形成Cu-O共晶液， DBC技術(shù)利用該共晶液一方面與陶瓷基板發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成 CuAlO2或CuAl2O4相，另一方面浸潤銅箔實(shí)現(xiàn)陶瓷基板與銅板的結(jié)合。陶瓷基板直接敷銅板的制造流程圖如下圖4.2。

(a) Al2O3陶瓷基板敷銅板工藝 (b) AlN陶瓷基板敷銅板工藝
圖4.2 直接敷銅陶瓷基板工藝示意圖

　　直接敷銅陶瓷基板由于同時具備銅的優(yōu)良導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度高、低介電損耗的優(yōu)點(diǎn)，所以得到廣泛的應(yīng)用。在過去的幾十年里，敷銅基板在功率電子封裝方面做出了很大的貢獻(xiàn)，這主要?dú)w因于直接敷銅基板具有如下性能特點(diǎn)：

　　● 熱性能好；

　　● 電容性能；

　　● 高的絕緣性能；

　　● Si相匹配的熱膨脹系數(shù)；

　　● 電性能優(yōu)越，載流能力強(qiáng)。