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电子封装核心材料:五大陶瓷基板工艺技术全解析

随着功率电子、光电子、新能源半导体产业的高速迭代,电子器件逐步向高集成、大功率、小型化、高可靠性方向升级,对封装基板的导热、绝缘、耐热及尺寸稳定性提出了更为严苛的要求。陶瓷基板凭借优异的导热性能、超高电气绝缘性、良好的热稳定性、低热膨胀系数等核心优势,且伴随产业化成熟带来的成本持续下探,现已成为高端电子封装的核心基材,广泛应用于IGBT绝缘栅双极晶体管、LD激光二极管、大功率LED、CPV聚焦型光伏等大功率、高精密功率电子器件封装领域。

目前行业主流陶瓷基片基材主要包括氧化铝(Al?O?)、氮化铝(AlN)、氮化硅(Si?N?)、氧化铍(BeO)四大类。其中氮化硅(Si?N?)陶瓷基片综合性能尤为突出,具备极佳的化学稳定性、热稳定性与机械强度,电气绝缘性能优异,是高集成度大规模集成电路板的优选制备材料。

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根据结构设计与制备工艺的差异,行业主流陶瓷基板可分为HTCC高温共烧多层陶瓷基板、LTCC低温共烧陶瓷基板、TFC厚膜陶瓷基板、DBC直接键合铜陶瓷基板、DPC直接镀铜陶瓷基板五大品类,各类工艺技术特性、适配场景差异化显著,以下进行详细介绍。

一、HTCC高温共烧多层陶瓷基板

HTCC高温共烧多层陶瓷基板是传统多层陶瓷封装的核心技术,制备工艺成熟稳定。其生产流程为:将氧化铝、氮化铝等陶瓷粉体搭配有机粘结剂均匀混合,调制为膏状浆料;通过刮刀流延工艺将浆料制成片状坯体,经干燥固化形成陶瓷生坯;根据产品电路设计需求,对生坯进行导通孔钻孔、丝网印刷金属浆料布线与填孔处理;最后将多层功能生坯精准叠压整合,送入1600℃高温烧结炉一次性共烧成型。

受1600℃超高烧结温度限制,HTCC工艺无法适配金、银等低熔点高导电材料,仅可选用钨、钼、锰等高熔点金属作为导体布线材料。这也导致该基板存在明显短板,金属导体导电性能相对一般,整体热导率区间为20~200W/(m·℃),且高温烧结工艺能耗高、生产周期长,整体制造成本偏高。但其耐高温、气密性佳、结构稳定性强的优势,使其适配高可靠、严苛工况的电子封装场景。

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二、LTCC低温共烧陶瓷基板

LTCC低温共烧陶瓷基板工艺原理与HTCC基本一致,核心革新在于粉体配方优化。在氧化铝陶瓷粉体中掺入30%~50%质量分数的低熔点玻璃料,可将烧结温度大幅降至850~900℃,彻底突破高温工艺的材料限制,能够采用导电性、延展性极佳的金、银材料制作电极与电路布线,基板导电性能大幅提升。

凭借低温共烧、可多层集成、可内置无源器件的特性,LTCC基板广泛应用于射频模块、电子滤波器、小型化精密模组等领域。但该工艺仍存在技术短板:依托丝网印刷工艺易出现张网偏移问题,造成电路对位误差;多层生坯叠压烧结过程中,各层坯体收缩比例存在差异,易导致成品变形、良率下降;若需提升基板导热性能,需额外增设导热孔、导电孔结构,会进一步增加生产工序与制造成本。

三、TFC厚膜陶瓷基板

TFC厚膜陶瓷基板属于后烧型陶瓷基板,相较于HTCC、LTCC多层共烧工艺,流程更简洁、技术门槛更低。其制备工艺为:将由金属粉末、有机树脂、玻璃助剂复合调制的金属浆料,通过丝网印刷工艺均匀涂覆在成品陶瓷基片表面;经低温干燥定型后,在700~800℃温度条件下高温烧结;烧结过程中有机树脂完全燃烧挥发,依靠玻璃质材料的粘合作用,使纯金属层紧密附着在陶瓷基板表面,形成稳定电路结构。

成型后的TFC基板金属层厚度稳定在10~20μm,最小线路线宽可达0.3mm。该工艺技术成熟、操作简单、生产效率高、综合成本低廉,是性价比极高的封装基板方案,主要应用于图形精度要求适中、常规工况的中低端电子封装场景,产业化适配性极强。

四、DBC直接键合铜陶瓷基板

DBC直接键合铜陶瓷基板是大功率功率电子封装的主流产品,核心采用陶瓷与铜箔高温共晶键合技术。生产过程中,将高纯铜箔与氧化铝陶瓷基片贴合,在1065℃高温环境下发生铜瓷共晶反应,实现铜箔与陶瓷基片的高强度无缝键合,再根据电路设计需求,通过精密刻蚀工艺去除多余铜材,形成目标线路图形。

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该基板充分结合了陶瓷与铜材的双重优势:铜箔具备极佳的导电、导热性能,氧化铝陶瓷可有效约束铜瓷复合体的热膨胀系数,使基板整体热膨胀特性接近陶瓷基材,尺寸稳定性优异。凭借导热性优、绝缘强度高、载流能力大、可靠性稳定的核心优势,DBC基板已大规模应用于IGBT功率模块、激光二极管、聚焦型光伏、大功率LED等高端大功率封装领域。

同时DBC工艺存在一定技术局限:高温共晶键合对生产设备精度、工艺参数管控要求极高,设备投入与生产成本偏高;陶瓷与铜箔键合界面易产生微小气孔,会降低基板抗热冲击性能;高温烧结过程中铜箔易出现翘曲变形,因此基板铜箔厚度通常需大于100μm;且依托化学腐蚀成型线路,图形精细化程度受限,最小线路线宽普遍大于100μm,无法适配超高精密线路封装需求。

五、DPC直接镀铜陶瓷基板

DPC直接镀铜陶瓷基板是适配高精度、微型化电子器件的新型高端基板工艺,全程采用低温薄膜制程,工艺温度控制在300℃以下。其制备流程精细且严谨:首先对陶瓷基片进行精密清洗前处理,去除表面杂质、油污,保证基材洁净度;通过真空溅射工艺在基片表面沉积超薄Ti/Cu种子层,搭建金属附着基础;再利用光刻、显影、刻蚀精密半导体工艺制作精细化线路图形;随后通过电镀、化学镀工艺增厚铜线路,强化导电与散热性能;最后去除残余光刻胶,完成高精度基板制备。

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DPC低温制程彻底规避了传统高温工艺对基材、线路结构的热损伤,有效提升产品尺寸精度与稳定性;搭配光刻薄膜成型技术,可制备超细、超高精度线路,完美适配对准精度要求严苛的光电器件、微型精密半导体器件封装场景。

该工艺同样存在短板:电镀工艺成型的铜层厚度存在上限,基板载流能力有限;金属镀层与陶瓷基材的机械结合强度偏低,长期高频工况下产品可靠性有待提升;同时电镀生产过程会产生废液,环保处理成本与压力相对较大。

总结

综上,五大类陶瓷基板工艺各有优劣、适配场景差异化明显:HTCC、LTCC侧重多层集成与特殊工况适配,TFC主打高性价比通用场景,DBC聚焦大功率、高散热功率电子封装,DPC专攻高精度、微型化精密器件封装。在实际选型应用中,需结合器件功率、精度要求、工况环境及成本预算,匹配最优陶瓷基板方案,为电子设备的稳定性、可靠性与使用寿命提供核心保障。

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