編者按
激光技術在3C電子領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。隨著電子產品向精細化、智能化逐步發展，更多材料應用其中。充分了解電子產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種工藝的原理及優劣勢，同時，基于激光直寫活化工藝和化學鍍銅沉積工藝的集成制造技術，將有望逐步成為陶瓷電路板制造的主流工藝。
進入21世紀，隨著計算機及互聯網、移動通信、平板顯示、太陽能光伏和節能照明等電子信息產業的迅速普及，電子電器產品持續向數字化、小型化、柔性化、多功能化、高可靠性、低能耗等方向發展，與之密切相關的電子封裝技術進入了超高速發展時期。
理想的電子封裝基板材料必須滿足以下基本要求：
1）高熱導率，低介電常數，有較好的耐熱、耐壓性能；
2）熱膨脹系數接近芯片材料Si或GaAs，避免芯片的熱應力損壞；
3）有足夠的強度、剛度，對芯片和電子元器件起到支撐和保護的作用；
4）成本盡可能低，滿足大規模工業生產應用的需求；
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封裝基板、金屬基復合基板和陶瓷封裝基板三大類。
相比傳統的基板材料，陶瓷基板有眾多優點：
1）熱導率高，可以將高集成度封裝產生的熱量及時排出；
2）化學穩定性強，在加工過程中能耐酸、堿、有機溶劑的浸蝕，不產生變色、溶脹等特性變化；
3）絕緣性能好，可靠性高；
4）介電系數較小，高頻特性好，可以降低信號延遲時間；
5）機械強度高，有良好的尺寸穩定性，使元器件安裝精度高；
6）耐熱性能強，無機基板材料玻璃化溫度普遍高于有機基板材料，在熱沖擊和熱循環過程中不易損傷；
7）熱膨脹系數更接近硅，無機基板材料（2.3-10 ppm/℃）熱膨脹系數普遍低于有機基板材料（高于12 ppm/℃）。
因此，陶瓷材料逐漸發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也得到了廣泛的關注和迅速發展。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
常見的陶瓷金屬化技術包括：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，是微電子制造中金屬薄膜沉積的主要方法。圖1顯示了薄膜技術制備陶瓷電路板的工藝流程：首先通過蒸發、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、蝕刻工序完成導電線路的制作。圖2為眾城三維采用薄膜技術制備的氮化鋁封裝基板。
圖1 薄膜技術工藝流程
圖2 薄膜技術制備的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合力不穩定，沉積Cu層之前要先沉積一層Ti作為過渡層，用以增強Cu層與陶瓷的結合力，完成圖形轉移后還需要蝕刻Ti，增加了工藝復雜度。在制作雙面電路板時，沉積的種子層難以進入微孔，出現孔壁無Cu的現象。另外薄膜技術的制造設備昂貴，需要高真空條件，生產效率較低。
2 厚膜法
厚膜法是在基板上通過絲網印刷技術、微筆直寫技術和噴墨打印技術等微流動直寫技術在基板上直接沉積導電漿料，經高溫燒結形成導電線路和電極的方法，該方法適用于大部分陶瓷基板。圖3為厚膜技術制作陶瓷電路板的工藝流程。厚膜導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劑再加上有機溶劑組成。漿料中的玻璃粘結劑在高溫下與基板相結合，使導電相粘附在基板表面，形成導電線路。圖4為眾城三維公司采用厚膜技術制備的COB封裝基板。
圖3 厚膜技術工藝流程
圖4 厚膜技術制備的COB封裝基板
厚膜法中以絲網印刷技術應用最為廣泛，該技術優點是工藝簡單，但缺點也很明顯：受限于導電漿料和絲網尺寸，制備的導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、精細電路板的生產。微筆直寫技術和噴墨打印技術雖然能沉積高精度導電圖形，但是對漿料粘度要求較高，容易發生通道堵塞。并且，采用厚膜法成形的導電線路電學性能較差，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）技術主要是根據Al2O3陶瓷基板發展起來的陶瓷表面金屬化技術，后來又應用于AlN陶瓷，已廣泛應用于汽車、電力、航空、航天及軍工等領域。1975年，J.F. Burgess和Y.S. Sun等人最早提出這一技術，將銅箔（厚度大于0.1 mm）在N2保護下，溫度1065℃-1083℃范圍內直接鍵合到Al2O3陶瓷基片表面。
圖5 DBC技術工藝流程
圖5顯示了DBC技術制備電路板的工藝流程。純銅在熔融狀態下對Al2O3陶瓷不潤濕，需要在反應界面引入氧元素，高溫下產生的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）將銅箔在空氣中預氧化，生成一定厚度的CuO；
2）將銅箔在氮氣中弱氧化生成一定厚度的Cu2O。兩者所起作用幾乎相同，第一種方法實用性更強。圖6顯示了本公司采用DBC技術制備的高功率IGBT模塊。
圖6 DBC技術制備的高功率IGBT模塊
AlN陶瓷基板敷銅是基于DBC技術發展起來的，日本東芝公司最早開發了一種AlN陶瓷直接敷銅技術，隨后美國IXYS公司和德國Curamik電子公司分別量產了不同規格的AlN陶瓷覆銅板，并大規模應用于電子制造業中。由于AlN陶瓷與銅箔幾乎不會發生反應，即使在敷接過程中引入氧元素，會生成氣體，對敷接強度產生不利影響，因此在敷接前對AlN陶瓷進行表面處理，生成一層致密的Al2O3以提高結合強度。目前，國外Al2O3-DBC技術已經成熟，AlN-DBC也已經產業化，國內只有少量科研單位有能力生產。
DBC技術主要的缺點是銅箔厚度較大，后續通過化學蝕刻過程很難得到高精度導線，而且界面氧元素難以控制，銅箔與陶瓷之間容易出現氣孔，導致最終器件性能不穩定，還有待于進一步的基礎技術研究。另外，受限于技術原理，銅箔敷接的方式無法實現通孔金屬化。
4激光活化金屬化法
基于以上陶瓷金屬化技術的局限性，作者所在公司自主研發了激光活化金屬化技術（Laser Activation metallization, LAM），適用于各類陶瓷材料表面導電線路的直接制備，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的化學鍍工藝結合到一起，以便進一步提升成形效率、降低生產成本。將激光直寫工藝與化學鍍工藝相結合，可以直接在非金屬基板表面成形導電線路。首先，由激光直寫技術誘導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，形成隨后化學鍍的“催化”中心。事實上，這一步驟不僅植入了“催化”中心，同時還實現了電路板的圖形化。其次，化學鍍工藝不需外加電流，利用化學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行氧化還原反應，產生金屬沉積。化學鍍技術設備簡單，對環境污染小以及成本較低，因而已經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域具有催化活性，因此激光活化金屬化技術可以在陶瓷板表面形成高精度、高純度金屬圖形。
圖7 激光活化金屬化技術原理示意圖
圖8 LAM技術制備的陶瓷管件
陶瓷電路板產業已發展多年，對于全球來講，早已不是新興產業，但在國內，其應用尚處于起步階段。國內生產制造企業以同欣、璦司柏和眾成三維等廠商牽頭，中小廠商也相繼涌入該領域。由于激光直寫技術的柔性特點，基于激光直寫活化工藝和化學鍍銅沉積工藝的集成制造技術未來有望取代現有主流陶瓷金屬化制造技術中的薄膜工藝、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。
作者
眾成三維電子（武漢）有限公司 呂銘 總經理
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