陶瓷基板的特性与工艺培训课件

陶瓷基板的特性与工艺目录一、各种陶瓷材料的定义二、陶瓷基板的种类三、陶瓷基板的特性四、陶瓷基板的应用五、结论一、陶瓷基板的定义

1.定义：陶瓷基板是以电子陶瓷为基的，对膜电路元外贴切元件形成一个支撑底座的片状材料。2.分类：低温共烧多层陶瓷(LTCC)陶瓷基板LED芯片系统电路板铝基板MCPCB印制电路板PCB高温共烧多层陶瓷(HTCC)直接接合铜基板(DBC)直接镀铜基板(DPC)软式印刷电路板FPC地位：目前为止依然占据整个电子市场的统治地位.优点：塑胶尤其是环氧树脂由于比较好的经济性缺点：不耐高温

线膨胀系数不匹配

气密性差

稳定性差

机械性能差即使在环氧树脂中添加大量的有机溴化物也无济于事。一、散热材料的比较—塑胶和陶瓷材料地位：相对于塑胶材料，陶瓷材料也在电子工业扮演者重要的角色。优点：电阻高

高频特性突出热导率高化学稳定性佳

热稳定性

熔点高缺点：应用：在电子线路的设计和制造非常需要这些的性能，因此陶瓷被广泛用于不同厚膜、薄膜或和电路的基板材料，还可以用作绝缘体，在热性能要求苛刻的电路中做导热通路以及用来制造各种电子元件。塑胶材料陶瓷材料地位：到目前为止，氧化铝基板是电子工业中最常用的基板材料。优点：机械、热、电性能上相对于大多数其他氧化物陶瓷，强度及化学稳定性高，且原料来源丰富，适用于各种各样的技术制造以及不同的形状。缺点：1.低的导热率。现市面上用的氧化铝导热系数在1-3W/m.K

2.热膨胀系数相对Si单晶偏高，导致Al2O3陶瓷基片并不太适合在高频、大功率、超大规模集成电路中使用。一、陶瓷材料的比较——氧化铝和氮化铝地位：应用范围小，目前主要在航天航空等特殊性要求高导热散热产品内使用。优点：高导热率（理论值320W/m.K）与Si相匹配的膨胀系数缺点：1.即使在表面有非常薄的氧化层也会对热导率产生影响，只有对材料和工艺进行严格控制才能制造出一致性较好的AlN基板。

2.大规模的AlN生产技术国内还是不成熟，造价成本非常高。氧化铝氮化铝二、陶瓷基板的种类——按制造工艺区分LTCC（Low-TemperatureCo-firedCeramic）低温共烧多层陶瓷基板HTCC（High-TemperatureCo-firedCeramic）高温共烧多层陶瓷DBC（DirectBondedCopper）直接敷铜陶瓷基板DPC（DirectPlateCopper）直接镀铜基板二、陶瓷基板的种类——LTCCLTCC

又称为低温共烧多层陶瓷基板，此技术须先将无机的氧化铝粉与约30%~50%的玻璃材料加上有机黏结剂，使其混合均匀成为泥状的浆料，接着利用刮刀把浆料刮成片状，再经由一道干燥过程将片状浆料形成一片片薄薄的生胚，然后依各层的设计钻导通孔，作为各层讯号的传递，LTCC内部线路则运用网版印刷技术，分别于生胚上做填孔及印制线路，内外电极则可分别使用银、铜、金等金属，最后将各层做叠层动作，放置于850~900℃的烧结炉中烧结成型，即可完成。二、陶瓷基板的种类——HTCCHTCC又称为高温共烧多层陶瓷，生产制造过程与LTCC极为相似，主要的差异点在于HTCC的陶瓷粉末并无加入玻璃材质，因此，HTCC的必须再高温1300~1600℃环境下干燥硬化成生胚，接着同样钻上导通孔，以网版印刷技术填孔与印制线路，因其共烧温度较高，使得金属导体材料的选择受限，其主要的材料为熔点较高但导电性却较差的钨、钼、锰等金属，最后再叠层烧结成型。二、陶瓷基板的种类——DBC直接敷铜技术是利用铜的含氧共晶液直接将铜敷接在陶瓷上，其基本原理就是敷接过程前或过程中在铜与陶瓷之间引入适量的氧元素，在1065℃~1083℃范围内，铜与氧形成Cu-O共晶液，DBC技术利用该共晶液一方面与陶瓷基板发生化学反应生成CuAlO2或CuAl2O4相，另一方面浸润铜箔实现陶瓷基板与铜板的结合。二、陶瓷基板的种类——DBC直接敷铜陶瓷基板由于同时具备铜的优良导电、导热性能和陶瓷的机械强度高、低介电损耗的优点，所以得到广泛的应用。在过去的几十年里，敷铜基板在功率电子封装方面做出了很大的贡献，这主要归因于直接敷铜基板具有如下性能特点：热性能好；电容性能；高的绝缘性能；

Si相匹配的热膨胀系数；电性能优越，载流能力强。直接敷铜陶瓷基板最初的研究就是为了解决大电流和散热而开发出来的，后来又应用到AlN陶瓷的金属化。除上述特点外还具有如下特点使其在大功率器件中得到广泛应用：机械应力强，形状稳定；高强度、高导热率、高绝缘性；结合力强，防腐蚀；极好的热循环性能，循环次数达5万次，可靠性高；与PCB板（或IMS基片）一样可刻蚀出各种图形的结构；无污染、无公害；使用温度宽-55℃～850℃；热膨胀系数接近矽，简化功率模组的生产工艺。二、陶瓷基板的种类——DPCDPC亦称为直接镀铜基板，DPC基板工艺为例：首先将陶瓷基板做前处理清洁，利用薄膜专业制造技术－真空镀膜方式于陶瓷基板上溅镀结合于铜金属复合层，接着以黄光微影之光阻被复曝光、显影、蚀刻、去膜工艺完成线路制作，最后再以电镀/化学镀沉积方式增加线路的厚度，待光阻移除后即完成金属化线路制作。三、陶瓷基板的特性陶瓷散热基板特性比较中，主要选取散热基板的：(1)热传导率、(2)工艺温度、(3)线路制作方法、(4)线径宽度，四项特性作进一步的讨论：三、陶瓷基板的特性——热传导率热传导率又称为热导率，它代表了基板材料本身直接传导热能的一种能力，数值愈高代表其散热能力愈好。LED散热基板最主要的作用就是在于，如何有效的将热能从LED芯片传导到系统散热，以降低LED

芯片的温度，增加发光效率与延长LED寿命，因此，散热基板热传导效果的优劣就成为业界在选用散热基板时，重要的评估项目之一。由四种陶瓷散热基板的比较可明看出，虽然Al2O3材料之热传导率约在20~24之间，LTCC为降低其烧结温度而添加了30%~50%的玻璃材料，使其热传导率降至2~3W/mK左右；而HTCC因其普遍共烧温度略低于纯Al2O3基板之烧结温度，而使其因材料密度较低使得热传导系数低Al2O3基板约在16~17W/mK之间。一般来说，LTCC与HTCC散热效果并不如DBC与DPC散热基板里想。三、陶瓷基板的特性——操作环境温度操作环境温度，主要是指产品在生产过程中，使用到最高工艺温度，而以一生产工艺而言，所使用的温度愈高，相对的制造成本也愈高，且良率不易掌控。2.HTCC与LTCC在工艺后对必须叠层后再烧结成型，使得各层会有收缩比例问题，为解决此问题相关业者也在努力寻求解决方案中。1.HTCC工艺本身即因为陶瓷粉末材料成份的不同，其工艺温度约在1300~1600℃之间，而LTCC/DBC的工艺温度亦约在850~1000℃之间。3.DBC对工艺温度精准度要求十分严苛，必须于温度极度稳定的1065~1085℃温度范围下，才能使铜层熔炼为共晶熔体，与陶瓷基板紧密结合，若生产工艺的温度不够稳定，势必会造成良率偏低的现象。4.在工艺温度与裕度的考量，DPC的工艺温度仅需250~350℃左右的温度即可完成散热基板的制作，完全避免了高温对于材料所造成的破坏或尺寸变异的现象，也排除了制造成本费用高的问题。三、陶瓷基板的特性——工艺能力工艺能力，主要是表示各种散热基板的金属线路是以何种工艺技术完成，由于线路制造/成型的方法直接影响了线路精准度、表面粗糙镀、对位精准度…等特性，因此在高功率小尺寸的精细线路需求下，工艺分辨率便成了必须要考虑的重要项目之一。LTCC与HTCC均是采用厚膜印刷技术完成线路制作，厚膜印刷本身即受限于网版张力问题，一般而言，其线路表面较为粗糙，且容易造成有对位不精准与累进公差过大等现象。此外，多层陶瓷叠压烧结工艺，还有收缩比例的问题需要考量，这使得其工艺分辨率较为受限。DBC虽以微影工艺备制金属线路，但因其工艺能力限制，金属铜厚的下限约在150~300um之间DPC则是采用的薄膜工艺制作，利用了真空镀膜、黄光微影工艺制作线路，使基板上的线路能够更加精确，表面平整度高，再利用电镀/电化学镀沉积方式增加线路的厚度，DPC金属线路厚度可依产品实际需求(金属厚度与线路解析度)而设计。因此，DPC杜绝了LTCC/HTCC的烧结收缩比例及厚膜工艺的网版张网问题。三、陶瓷基板的特性——工艺能力线路制作方式：薄膜和厚膜工艺产品之差异。三、陶瓷基板的特性——工艺能力名词理解一、显影蚀刻。二、镭雕一、显影蚀刻：通过曝光制版、显影后，将要金属蚀刻区域的保护膜去除，在金属蚀刻时接触化学溶液，达到溶解腐蚀的作用，形成凹凸或者镂空成型的效果。1、蚀刻：利用蚀刻液与铜层反应，蚀去线路板上不需要的铜，得到所要求的线路。2、曝光：经光源作用将原始底片上的图像转移到感光底板（即PCB）上。3、显影：通过碱液作用，将未发生光聚合反应之感光材料部分冲掉。二、镭雕：激光雕刻或者激光打标，是一种用光学原理进行表面处理的工艺。特点：1.环保2.无库存四、陶瓷基板的应用1.LTCC散热基板在应用上，大多以大尺寸高功率以及小尺寸低功率产品为主，基本上外观大多呈现凹杯状，凹杯形状主要是针对封装工艺采用较简易的点胶方式封装成型所设计。再者，采用了厚膜制作线路，使得线路精准度不足以符合高功率小尺寸的LED产品。而与LTCC工艺与外观相似的HTCC，在散热基板这一块，由于需要高温烧结，成本增加，尚未被普遍的使用。2.DBC与DPC则与LTCC/HTCC不仅有外观上的差异，连封装方式亦有所不同，DBC/DPC均是属于平面式的散热基板，这样可依客制化备制金属线路加工，再根据客户需求切割成小尺寸产品，辅以共晶/覆晶工艺，结合已非常纯熟的萤光粉涂布技术及高阶封装工艺技术铸膜成型，可大幅的提升LED的发光效率。3.DBC产品因受工艺能力限制，使得线路解析度上限仅为150~300um，若要特别制作细线路产品，必须