什么是陶瓷基板？

陶瓷基板就是以電子陶瓷為基的，對(duì)膜電路元外貼切元件形成一個(gè)支撐底座的片狀材料！

圖1 (a)氧化鋁陶瓷基板(b)氮化鋁陶瓷基板和(c)LTCC陶瓷基板

陶瓷基板產(chǎn)品的問(wèn)世，開(kāi)啟了散熱應(yīng)用行業(yè)的新發(fā)展，由于陶瓷基板散熱特色，加上陶瓷基板具有高散熱、低熱阻、壽命長(zhǎng)、耐電壓等優(yōu)點(diǎn)，隨著生產(chǎn)技術(shù)、設(shè)備的改良，產(chǎn)品價(jià)格加速合理化，進(jìn)而擴(kuò)大了LED產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域，如家電產(chǎn)品的指示燈、汽車車燈、路燈及戶外大型看板等。陶瓷基板的開(kāi)發(fā)成功，為室內(nèi)照明和戶外亮化產(chǎn)品提供了更佳的服務(wù)，使LED產(chǎn)業(yè)未來(lái)的市場(chǎng)領(lǐng)域更為寬廣。

1. 陶瓷基板的性質(zhì)

2. 陶瓷基板的制備方法

陶瓷燒成前典型的成形方法有下述四種：粉末壓制成形（模壓成形、等靜壓成形）、擠壓成形、流延成形等。其中流延成形法由于容易實(shí)現(xiàn)多層化且生產(chǎn)效率較高，近年來(lái)在LSI封裝及混合集成電路用基板的制造中多被采用。

常見(jiàn)制備陶瓷基板的三種工藝如下所示：

（1）

（2）

（3）

3. 各類陶瓷基板

（1）氧化鋁(Al₂O₃)基板

? 原料：Al₂O₃原料的典型制造方法是Buyer法，在這種方法中原材料采用鋁礬土（水鋁礦/一水軟鋁石以及相應(yīng)的化合物）；

? 制作方法：Al₂O₃陶瓷的成形一般采用生片疊層法，粘接劑一般采用聚乙烯醇聚丁醛(PVB)，燒成溫度因添加的助燒劑不同而異，通常為1550～1600℃。Al₂O₃基板的金屬化方法目前主要采用厚膜法及共燒法、從使用的漿料到工藝技術(shù)都比較成熟，目前可滿足各方面應(yīng)用的要求；

? 應(yīng)用：混合集成電路用基板、LSI封裝用基板、多層電路基板。

（2）氮化鋁(AlN)基板

? 原料：AlN為非天然存在而是一種人造礦物，于1862年由Genther等人最早合成。AlN粉末的代表性制作方法是還原氮化法和直接氮化法，前者以Al₂O₃為原料，通過(guò)高純碳還原，再與氮?dú)夥磻?yīng)形成，后者直接是Al粉末與N₂發(fā)生反應(yīng)進(jìn)行直接氮化；

? 制造方法：Al₂O₃基板制造的各種方法都可用于AlN基板的制造，其中用得最多的是生片疊層法，即將AlN原料粉末、有機(jī)粘接劑及溶劑、表面活性劑混合制成陶瓷漿料，經(jīng)流延、疊層、熱壓、脫脂、燒成制得；

? AlN基板的特性：AlN的熱導(dǎo)率為Al₂O₃的10倍以上，CTE與硅片相匹配，AlN材料相對(duì)與Al₂O₃來(lái)說(shuō)，絕緣電阻、絕緣耐壓要高些，介電常數(shù)更低些，這些特點(diǎn)對(duì)于封裝基板應(yīng)用來(lái)說(shuō)是十分難得的；

? 應(yīng)用：用于VHF（超高頻）頻帶功率放大器模塊、大功率器件及激光二極管基板等；

（3）碳化硅(SiC)基板

? 原料：SiC不是天然產(chǎn)生而是由人工制造的礦物，由硅石、焦炭及少量食鹽以粉末狀混合，用石墨爐將其加熱到2000℃以上發(fā)生反應(yīng)，生成α-SiC，再通過(guò)升華析出，可得到暗綠色塊狀的多晶集合體；

? 制造方法：SiC的化學(xué)穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性都非常好，采用普通方法燒成難以達(dá)到致密化，因此需要添加燒結(jié)助劑并采用特殊方法燒成，通常采用真空熱壓法燒成；

? SiC基板的特性：其最具特色的性質(zhì)是，與其他材料相比，其熱擴(kuò)散系數(shù)特別大，甚至比銅還大，而且其熱膨脹系數(shù)與Si更為接近。當(dāng)然它也存在一些缺點(diǎn)，相對(duì)而言其介電常數(shù)高、絕緣耐壓要差一些；

? 應(yīng)用：對(duì)于SiC基板，揚(yáng)長(zhǎng)避短，多用于耐壓性不大存在問(wèn)題的低電壓電路及VLSI高散熱封裝的基板，例如高速、高集成度邏輯LSI帶散熱機(jī)構(gòu)封裝、在超大型計(jì)算機(jī)、光通信用激光二極管的基板應(yīng)用等。

（4）莫來(lái)石(3Al₂O₃·2SiO₂)基板

3Al₂O₃·2SiO₂是Al₂O₃-SiO₂二元系中最穩(wěn)定的晶相之一，與Al₂O₃相比雖然機(jī)械強(qiáng)度和熱導(dǎo)率要低一些，但其介電常數(shù)低，因此可望能進(jìn)一步提高信號(hào)傳輸速度。其熱膨脹系數(shù)也低，可減小搭載LSI的熱應(yīng)力，而且與導(dǎo)體材料Mo、W的熱膨脹系數(shù)的差也小，從而共燒時(shí)與導(dǎo)體間出現(xiàn)的應(yīng)力低。

（5）氧化鈹(BeO)基板

其導(dǎo)熱率是Al₂O₃的十幾倍，適用于大功率電路，而且其介電常數(shù)又低，可用于高頻電路。BeO基板基本上采用干壓法制作，此外也可在其中添加微量的MgO及Al₂O₃等利用生片法制作BeO基板。由于BeO粉末的毒性，存在環(huán)境問(wèn)題，在日本不允許生產(chǎn)BeO基板，只能從美國(guó)進(jìn)口。

4. 低溫共燒陶瓷多層基板(LTCC)

上述討論的基板由于其燒結(jié)溫度在1500～1900℃，相當(dāng)高，因此若采用同時(shí)燒成法，則導(dǎo)體材料只能選擇難熔金屬Mo和W等，這樣勢(shì)必造成一系列較難解決的問(wèn)題：如共燒需要在還原性氣氛中進(jìn)行，增加工藝難度，燒結(jié)溫度過(guò)高，需采用特殊燒結(jié)爐；由于Mo、W電阻率較高，布線電阻大，信號(hào)傳輸容易造成失真，增大損耗，布線微細(xì)化受到限制；介質(zhì)材料的介電常數(shù)都偏大，因此會(huì)增大信號(hào)傳輸延遲時(shí)間，特別是不適用于超高頻電路等。

為解決上述問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了玻璃與陶瓷混合共燒的低溫共燒多層陶瓷基板(low temperature co-fired ceramic substrate, LTCC)，由于其燒成溫度在900℃左右，故可采用多種電阻率低的材料，可實(shí)現(xiàn)微細(xì)化布線，其中貴金屬漿料可以在大氣中燒成。

低溫共燒多層陶瓷基板的制備：此技術(shù)須先將無(wú)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(guò)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(hào)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(dòng)作，放置于850~900℃的燒結(jié)爐中燒結(jié)成型，即可完成。如圖2所示，為低溫共燒多層陶瓷基板制備示意圖。

圖2 低溫共燒多層陶瓷基板制備示意圖

另外，常用的玻璃陶瓷材料主要包括：

? 硼硅酸鉛玻璃—Al₂O₃系；

? 硼硅酸玻璃—石英玻璃-堇青石系；

? 硼硅酸鉛玻璃—Al₂O₃-鎂橄欖石系；

? 硼硅酸鉛玻璃—Al₂O₃處理的氧化鋯(ZrO₂)系；

? 硼酸錫鋇系；

低溫共燒多層陶瓷基板的應(yīng)用：LTCC適用于高密度電子封裝用的三維立體布線多層陶瓷基板，因其具有導(dǎo)體電阻率低、介質(zhì)的介電常數(shù)小、熱導(dǎo)率高、與硅芯片相匹配的低熱膨脹系數(shù)、容易實(shí)現(xiàn)多層化等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于射頻、微波、毫米波器件等。其用途主要包括：超級(jí)計(jì)算機(jī)用多層基板、下一代汽車用多層基板ECU部件、光通信用界面模塊及HEMT模塊以及高頻部件VCO和TCXO等。

5. 復(fù)合基板

  （1）復(fù)合基板—功能復(fù)合：如多層印刷CR內(nèi)含基板、生片疊層CR內(nèi)含多層基板等；

  （2）復(fù)合基板—結(jié)構(gòu)復(fù)合：如樹(shù)脂/陶瓷復(fù)合基板、數(shù)字/多孔陶瓷復(fù)合基板、樹(shù)脂/硅復(fù)合基板等；

  （3）復(fù)合基板—材料復(fù)合：如在Fe或Al等金屬的表面，包覆數(shù)十到數(shù)百微米的有機(jī)或無(wú)機(jī)絕緣層構(gòu)成復(fù)合基板等。

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