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激光技術(shù)

4種陶瓷電路板制造技術(shù)中,激光活化金屬化將成主流工藝

rongpuiwing 來源:眾成三維電子(武漢)有限公司2019-07-02 我要評論(0 )   

激光技術(shù)在3C電子領(lǐng)域中扮演的角色越來越重要,涉及切割、焊接、打孔等多種工藝。隨著電子產(chǎn)品向精細(xì)化、智能化逐步發(fā)展,更多材

激光技術(shù)在3C電子領(lǐng)域中扮演的角色越來越重要,涉及切割、焊接、打孔等多種工藝。隨著電子產(chǎn)品向精細(xì)化、智能化逐步發(fā)展,更多材料應(yīng)用其中。充分了解電子產(chǎn)品使用的各種材料的特性,將有利于針對其特性采用更加適合的激光加工工藝技術(shù)和流程。


在今天這篇文章中,作者介紹了陶瓷電路板制造的4種工藝的原理及優(yōu)劣勢,同時,基于激光直寫活化工藝和化學(xué)鍍銅沉積工藝的集成制造技術(shù),將有望逐步成為陶瓷電路板制造的主流工藝。


進(jìn)入21世紀(jì),隨著計算機(jī)及互聯(lián)網(wǎng)、移動通信、平板顯示、太陽能光伏和節(jié)能照明等電子信息產(chǎn)業(yè)的迅速普及,電子電器產(chǎn)品持續(xù)向數(shù)字化、小型化、柔性化、多功能化、高可靠性、低能耗等方向發(fā)展,與之密切相關(guān)的電子封裝技術(shù)進(jìn)入了超高速發(fā)展時期。


理想的電子封裝基板材料必須滿足以下基本要求:

1)高熱導(dǎo)率,低介電常數(shù),有較好的耐熱、耐壓性能;

2)熱膨脹系數(shù)接近芯片材料Si或GaAs,避免芯片的熱應(yīng)力損壞;

3)有足夠的強(qiáng)度、剛度,對芯片和電子元器件起到支撐和保護(hù)的作用;

4)成本盡可能低,滿足大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的需求;

5)具有良好的加工、組裝和安裝性能。常用的電子封裝基板材料包括有機(jī)封裝基板、金屬基復(fù)合基板和陶瓷封裝基板三大類。

相比傳統(tǒng)的基板材料,陶瓷基板有眾多優(yōu)點(diǎn):

1)熱導(dǎo)率高,可以將高集成度封裝產(chǎn)生的熱量及時排出;

2)化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng),在加工過程中能耐酸、堿、有機(jī)溶劑的浸蝕,不產(chǎn)生變色、溶脹等特性變化;

3)絕緣性能好,可靠性高;

4)介電系數(shù)較小,高頻特性好,可以降低信號延遲時間;

5)機(jī)械強(qiáng)度高,有良好的尺寸穩(wěn)定性,使元器件安裝精度高;

6)耐熱性能強(qiáng),無機(jī)基板材料玻璃化溫度普遍高于有機(jī)基板材料,在熱沖擊和熱循環(huán)過程中不易損傷;

7)熱膨脹系數(shù)更接近硅,無機(jī)基板材料(2.3-10 ppm/℃)熱膨脹系數(shù)普遍低于有機(jī)基板材料(高于12 ppm/℃)。


因此,陶瓷材料逐漸發(fā)展成為新一代集成電路以及功率電子模塊的理想封裝基材,陶瓷電路板封裝技術(shù)也得到了廣泛的關(guān)注和迅速發(fā)展。表1 給出了常用陶瓷封裝材料與Si的性能對比,目前常用的陶瓷基板材料包括Al2O3、SiC、BeO以及AlN等。


表1常用封裝材料及Si的性能對比

4種陶瓷電路板制造技術(shù)中,激光活化金屬化將成主流工藝


常見的陶瓷金屬化技術(shù)包括:薄膜法、厚膜法、直接敷銅法和激光活化金屬化等方法。


1.薄膜法

薄膜法作為一種晶片級制造技術(shù),是微電子制造中金屬薄膜沉積的主要方法。圖1顯示了薄膜技術(shù)制備陶瓷電路板的工藝流程:首先通過蒸發(fā)、磁控濺射等面沉積工藝,在陶瓷表面沉積一層200-500 nm的Cu層作為種子層,以便后續(xù)的電鍍工藝開展。然后,通過貼膜、曝光、顯影等工序完成圖形轉(zhuǎn)移,再電鍍使Cu層增長到所需厚度,最終通過退膜、蝕刻工序完成導(dǎo)電線路的制作。圖2為眾城三維采用薄膜技術(shù)制備的氮化鋁封裝基板。


4種陶瓷電路板制造技術(shù)中,激光活化金屬化將成主流工藝

圖1 薄膜技術(shù)工藝流程


4種陶瓷電路板制造技術(shù)中,激光活化金屬化將成主流工藝

圖2 薄膜技術(shù)制備的LED模板


近年來,采用薄膜工藝制備的陶瓷電路板已在功率型LED封裝中顯示出了極強(qiáng)的競爭力。但薄膜工藝依然存在許多問題,包括金屬層與基板之間結(jié)合力不穩(wěn)定,沉積Cu層之前要先沉積一層Ti作為過渡層,用以增強(qiáng)Cu層與陶瓷的結(jié)合力,完成圖形轉(zhuǎn)移后還需要蝕刻Ti,增加了工藝復(fù)雜度。在制作雙面電路板時,沉積的種子層難以進(jìn)入微孔,出現(xiàn)孔壁無Cu的現(xiàn)象。另外薄膜技術(shù)的制造設(shè)備昂貴,需要高真空條件,生產(chǎn)效率較低。


2.厚膜法


厚膜法是在基板上通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)、微筆直寫技術(shù)和噴墨打印技術(shù)等微流動直寫技術(shù)在基板上直接沉積導(dǎo)電漿料,經(jīng)高溫?zé)Y(jié)形成導(dǎo)電線路和電極的方法,該方法適用于大部分陶瓷基板。圖3為厚膜技術(shù)制作陶瓷電路板的工藝流程。厚膜導(dǎo)電漿料一般由尺寸微米甚至納米級的金屬粉末和少量玻璃粘結(jié)劑再加上有機(jī)溶劑組成。漿料中的玻璃粘結(jié)劑在高溫下與基板相結(jié)合,使導(dǎo)電相粘附在基板表面,形成導(dǎo)電線路。圖4為眾城三維公司采用厚膜技術(shù)制備的COB封裝基板。


4種陶瓷電路板制造技術(shù)中,激光活化金屬化將成主流工藝


圖3 厚膜技術(shù)工藝流程

4種陶瓷電路板制造技術(shù)中,激光活化金屬化將成主流工藝


圖4 厚膜技術(shù)制備的COB封裝基板


厚膜法中以絲網(wǎng)印刷技術(shù)應(yīng)用最為廣泛,該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單,但缺點(diǎn)也很明顯:受限于導(dǎo)電漿料和絲網(wǎng)尺寸,制備的導(dǎo)線最小線寬難以低于60 μm,并且無法制作三維圖形,因此不適合小批量、精細(xì)電路板的生產(chǎn)。微筆直寫技術(shù)和噴墨打印技術(shù)雖然能沉積高精度導(dǎo)電圖形,但是對漿料粘度要求較高,容易發(fā)生通道堵塞。并且,采用厚膜法成形的導(dǎo)電線路電學(xué)性能較差,僅能用于對功率和尺寸要求較低的電子器件中。


3.直接敷銅法

直接敷銅(Direct Bonded Copper,DBC)技術(shù)主要是根據(jù)Al2O3陶瓷基板發(fā)展起來的陶瓷表面金屬化技術(shù),后來又應(yīng)用于AlN陶瓷,已廣泛應(yīng)用于汽車、電力、航空、航天及軍工等領(lǐng)域。1975年,J.F. Burgess和Y.S. Sun等人最早提出這一技術(shù),將銅箔(厚度大于0.1 mm)在N2保護(hù)下,溫度1065℃-1083℃范圍內(nèi)直接鍵合到Al2O3陶瓷基片表面。


4種陶瓷電路板制造技術(shù)中,激光活化金屬化將成主流工藝


圖5 DBC技術(shù)工藝流程


圖5顯示了DBC技術(shù)制備電路板的工藝流程。純銅在熔融狀態(tài)下對Al2O3陶瓷不潤濕,需要在反應(yīng)界面引入氧元素,高溫下產(chǎn)生的Cu-Cu2O共晶液對 Al2O3有良好的潤濕性,通過生成的CuAlO2作為過渡層,可以將銅箔直接敷接在Al2O3陶瓷基板上。一般氧的引入分為以下兩種方式:


1)將銅箔在空氣中預(yù)氧化,生成一定厚度的CuO;

2)將銅箔在氮?dú)庵腥跹趸梢欢ê穸鹊腃u2O。兩者所起作用幾乎相同,第一種方法實(shí)用性更強(qiáng)。圖6顯示了本公司采用DBC技術(shù)制備的高功率IGBT模塊。


4種陶瓷電路板制造技術(shù)中,激光活化金屬化將成主流工藝


圖6 DBC技術(shù)制備的高功率IGBT模塊


AlN陶瓷基板敷銅是基于DBC技術(shù)發(fā)展起來的,日本東芝公司最早開發(fā)了一種AlN陶瓷直接敷銅技術(shù),隨后美國IXYS公司和德國Curamik電子公司分別量產(chǎn)了不同規(guī)格的AlN陶瓷覆銅板,并大規(guī)模應(yīng)用于電子制造業(yè)中。由于AlN陶瓷與銅箔幾乎不會發(fā)生反應(yīng),即使在敷接過程中引入氧元素,會生成氣體,對敷接強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響,因此在敷接前對AlN陶瓷進(jìn)行表面處理,生成一層致密的Al2O3以提高結(jié)合強(qiáng)度。目前,國外Al2O3-DBC技術(shù)已經(jīng)成熟,AlN-DBC也已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化,國內(nèi)只有少量科研單位有能力生產(chǎn)。


DBC技術(shù)主要的缺點(diǎn)是銅箔厚度較大,后續(xù)通過化學(xué)蝕刻過程很難得到高精度導(dǎo)線,而且界面氧元素難以控制,銅箔與陶瓷之間容易出現(xiàn)氣孔,導(dǎo)致最終器件性能不穩(wěn)定,還有待于進(jìn)一步的基礎(chǔ)技術(shù)研究。另外,受限于技術(shù)原理,銅箔敷接的方式無法實(shí)現(xiàn)通孔金屬化。


4.激光活化金屬化法

基于以上陶瓷金屬化技術(shù)的局限性,作者所在公司自主研發(fā)了激光活化金屬化技術(shù)(Laser Activation metallization, LAM),適用于各類陶瓷材料表面導(dǎo)電線路的直接制備,不受限于試樣尺寸、形狀和材料的成分特性。


激光活化金屬化技術(shù)是一種兩步法工藝,原理示意圖如圖7。具體方法是將上述的激光直寫工藝和傳統(tǒng)的化學(xué)鍍工藝結(jié)合到一起,以便進(jìn)一步提升成形效率、降低生產(chǎn)成本。將激光直寫工藝與化學(xué)鍍工藝相結(jié)合,可以直接在非金屬基板表面成形導(dǎo)電線路。首先,由激光直寫技術(shù)誘導(dǎo)金屬化合物分解沉積于基板表面,“植入”基板表面的金屬顆粒,形成隨后化學(xué)鍍的“催化”中心。事實(shí)上,這一步驟不僅植入了“催化”中心,同時還實(shí)現(xiàn)了電路板的圖形化。其次,化學(xué)鍍工藝不需外加電流,利用化學(xué)鍍液中的金屬鹽和還原劑在具有催化活性的基體材料表面進(jìn)行氧化還原反應(yīng),產(chǎn)生金屬沉積?;瘜W(xué)鍍技術(shù)設(shè)備簡單,對環(huán)境污染小以及成本較低,因而已經(jīng)成為制造集成電路及微型器件的一種主要工藝。由于只有激光活化區(qū)域具有催化活性,因此激光活化金屬化技術(shù)可以在陶瓷板表面形成高精度、高純度金屬圖形。


4種陶瓷電路板制造技術(shù)中,激光活化金屬化將成主流工藝


圖7 激光活化金屬化技術(shù)原理示意圖



4種陶瓷電路板制造技術(shù)中,激光活化金屬化將成主流工藝

圖8 LAM技術(shù)制備的陶瓷管件


陶瓷電路板產(chǎn)業(yè)已發(fā)展多年,對于全球來講,早已不是新興產(chǎn)業(yè),但在國內(nèi),其應(yīng)用尚處于起步階段。國內(nèi)生產(chǎn)制造企業(yè)以同欣、璦司柏和眾成三維等廠商牽頭,中小廠商也相繼涌入該領(lǐng)域。由于激光直寫技術(shù)的柔性特點(diǎn),基于激光直寫活化工藝和化學(xué)鍍銅沉積工藝的集成制造技術(shù)未來有望取代現(xiàn)有主流陶瓷金屬化制造技術(shù)中的薄膜工藝、厚膜工藝或者直接敷銅工藝等,逐步成為陶瓷電路板制造的主流工藝。




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