陶瓷基印制電路板的關(guān)鍵技術(shù)研究

劉華珠 孟昭光 雷秋麗 張項(xiàng)賓

（東莞理工學(xué)院 電子工程與智能化學(xué)院，廣東 東莞 523808）

（東莞市五株電子科技有限公司，廣東 東莞 523293）

近年來(lái)，隨著3G、4G通訊的發(fā)展，信號(hào)傳輸速度越來(lái)越快，數(shù)據(jù)傳輸量也越來(lái)越大，電子產(chǎn)品繼續(xù)朝著輕、薄、小、高密度和多功能的方向發(fā)展。這使得印制電路板的組裝密度和集成度越來(lái)越高，特別是對(duì)于具有超高頻率、高功率、微型化和組件高密度集中化的印制電路板。傳統(tǒng)印制電路板工藝很大程度上已經(jīng)無(wú)法滿足精密電子產(chǎn)品散熱、良好的電氣性能和高可靠性的要求。陶瓷基具有良好的物理及電器性能，將其制作成電路板有效滿足電子行業(yè)對(duì)電路板的高散熱高可靠性等特殊要求。陶瓷基印制電路板屬于PCB的高端產(chǎn)品，研發(fā)與生產(chǎn)的技術(shù)難度很大，生產(chǎn)的廠家非常有限。因此，亟需自主開發(fā)陶瓷基印制電路板相關(guān)技術(shù)，提升技術(shù)水平和產(chǎn)品等級(jí)。

1 陶瓷基印制板制作基本方法

1.1 陶瓷基電路板分類

目前，LED陶瓷基板中使用的材料主要是氧化鋁陶瓷基板，氧化鋁陶瓷基板可根據(jù)電路制作方法分為三種，包括厚膜陶瓷基板、薄膜陶瓷基板和低溫共燒多層陶瓷（LTCC）。

1.1.1 厚膜陶瓷電路板

通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)生產(chǎn)厚膜陶瓷基板，使用刮刀將該材料印刷在基板上，干燥、燒結(jié)和激光。一般來(lái)說(shuō)，由于網(wǎng)版張網(wǎng)的問題，由網(wǎng)印方式產(chǎn)生的線易于粗糙和對(duì)準(zhǔn)不準(zhǔn)確。因此，對(duì)于需要更小尺寸要求的高功率LED產(chǎn)品，厚膜陶瓷基板的精度逐漸變得不足。

1.1.2 薄膜陶瓷電路板

近年，已經(jīng)開發(fā)出薄膜陶瓷基板作為L(zhǎng)ED管芯的散熱基板，以改善厚膜制程張網(wǎng)的問題和層壓和燒結(jié)后的收縮率。薄膜散熱基板通過濺射，電/電化學(xué)沉積和黃光微影制程來(lái)制作。它有如下特點(diǎn)：（1）低溫工藝（低于300℃），避免高溫材料損壞或尺寸變化；（2）黃色光刻工藝是使用使基板上的電路更精確；（3）金屬電路不易脫落。

因此，薄膜陶瓷基板適用于要求高對(duì)準(zhǔn)精度的高功率、小尺寸、高亮度LED和共晶/倒裝芯片封裝工藝。

1.1.3 低溫共燒多層陶瓷電路板

采用陶瓷作為基板材料的低溫共燒多層陶瓷技術(shù)，通過網(wǎng)印方式在基板上印刷線路，集成多層陶瓷基板，最后通過低溫?zé)Y(jié)。由于金屬電路層也是通過網(wǎng)印制程制成的，所以存在因?yàn)閺埦W(wǎng)問題而引起的對(duì)位誤差。另外，在層壓和燒結(jié)多層陶瓷后，還需考慮收縮率。如果將低溫共燒多層陶瓷用于需要精確線路對(duì)準(zhǔn)的共晶/覆晶LED產(chǎn)品，則將更加嚴(yán)格。

我公司結(jié)合產(chǎn)品發(fā)展的戰(zhàn)略方向，初期主要是以薄膜陶瓷基板為主，生產(chǎn)單雙面及多層陶瓷印制電路板。

1.2 陶瓷基電路板制作工藝流程

1.2.1 雙面與四層陶瓷板工藝流程

雙面陶瓷板工藝流程如圖1。

四層陶瓷板工藝流程主要流程如圖2。

此外，傳統(tǒng)陶瓷PCB工藝在PCB表面制作線路流程為：壓膜→曝光→顯影→蝕刻→退膜。而新開發(fā)的工藝只需：沉銅→電鍍，即可制作出線路，制作工藝簡(jiǎn)單，節(jié)約銅的損耗。

圖1 雙面陶瓷板工藝流程

圖2 四層陶瓷板工藝主要流程

2 相關(guān)技術(shù)

2.1 多層化方法

陶瓷基板分為結(jié)晶玻璃和玻璃填料，主要使用氧化鋁作為填料。板上的導(dǎo)電圖案材料是銅、銀、金、鈀、鉑等，也可使用鎢和鉬，穩(wěn)定性好。陶瓷多層板的制造工藝具有一次燒結(jié)多層法和厚膜多層法。簡(jiǎn)單的工藝流程如下。

（1）一次燒結(jié)多層法工藝流程：陶瓷坯料→沖壓成型→印刷導(dǎo)電層→層壓或印刷絕緣層→外形沖切→燒結(jié)→鍍貴金屬

（2）厚膜多層法工藝流程：陶瓷坯料→沖壓成型→燒結(jié)→印刷導(dǎo)電層→燒結(jié)→印刷絕緣層→印制導(dǎo)電層→燒結(jié)（按層數(shù)往返操作）

2.2 陶瓷燒結(jié)技術(shù)

陶瓷的燒結(jié)是胚體在較高溫度下致密化的過程，這一過程通過完成一系列物理和化學(xué)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。在陶瓷燒結(jié)過程中，主要發(fā)生宏觀變化，例如體積收縮、相對(duì)密度增加、強(qiáng)度和硬度增加等。純陶瓷基片燒結(jié)工藝有多種，常用的陶瓷材料燒結(jié)方法主要包括微波等離子燒結(jié)法、常壓燒結(jié)法、熱等靜壓燒結(jié)法、熱壓燒結(jié)法、微波加熱燒結(jié)法、放電等離子燒結(jié)法等[1]。

2.2.1 常壓燒結(jié)法[2]

在常壓燒結(jié)時(shí)，材料不加壓使其在大氣壓下燒結(jié)，并且通常在傳統(tǒng)電爐中進(jìn)行，該方法是陶瓷燒結(jié)中最常用的燒結(jié)方法。燒結(jié)溫度的選擇可通過固相燒結(jié)引起足夠的原子擴(kuò)散，液相燒結(jié)可以基于液相的形成、擴(kuò)散和粘性流動(dòng)，通常選取主要組分材料的熔點(diǎn)為0.5～0.8。然而，當(dāng)燒結(jié)溫度高時(shí)，燒結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致能量浪費(fèi)，并且燒結(jié)樣品具有較低的相對(duì)密度。

2.2.2 熱壓燒結(jié)法

熱壓燒結(jié)的基本原理是在加熱生坯的同時(shí)施加單向應(yīng)力，并且借助壓力的作用和表面能量的減小一起促進(jìn)生坯燒結(jié)。熱壓燒結(jié)是一種強(qiáng)化燒結(jié)工藝，廣泛用于在普通無(wú)壓燒結(jié)條件下制備難以致密化的材料，因此熱壓燒結(jié)通常被稱為“完全致密工藝”[3]。在熱壓燒結(jié)中，粉末材料的擴(kuò)散遠(yuǎn)高于常壓，因此熱壓燒結(jié)的溫度一般低于常溫?zé)Y(jié)溫度，燒結(jié)時(shí)間也較短。熱壓燒結(jié)對(duì)模具和工藝參數(shù)的要求較高，生產(chǎn)成本高于常壓燒結(jié)。加熱和冷卻都需要很長(zhǎng)時(shí)間，通常只能制備相對(duì)簡(jiǎn)單的形狀產(chǎn)品，并且必須進(jìn)行燒結(jié)產(chǎn)品的后續(xù)加工，生產(chǎn)效率較低。

2.2.3 熱等靜壓燒結(jié)法

這是一種同時(shí)成型和燒結(jié)的技術(shù)方法?；驹硎且杂傻?dú)夂桶睔獾葰怏w作為壓力介質(zhì)，在粉末燒結(jié)過程中施加均衡的外壓，高溫高壓的共同作用使得材料致密化。熱等靜壓燒結(jié)法具有生產(chǎn)效率高、材料損耗率低、制備的陶瓷材料晶粒均勻、致密度高、密度接近理論密度等優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些缺點(diǎn)，如熱等靜壓設(shè)備價(jià)格昂貴，運(yùn)行成本高。目前，在實(shí)驗(yàn)室中，一些特殊的陶瓷、復(fù)合材料和硬質(zhì)合金經(jīng)常通過熱等靜壓方法制備。如可制備高強(qiáng)度高韌性Al2O3陶瓷，由于昂貴的熱等靜壓設(shè)備和嚴(yán)格的壓力條件，生產(chǎn)效率低，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)[4]。

2.2.4 微波加熱燒結(jié)法

通過利用微波電磁場(chǎng)中材料的介電損耗將材料表面和內(nèi)部同時(shí)加熱到燒結(jié)溫度，以實(shí)現(xiàn)燒結(jié)。微波燒結(jié)具有許多優(yōu)點(diǎn)，其獨(dú)特的燒結(jié)機(jī)制是傳統(tǒng)的加熱方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。它在Al2O3陶瓷燒結(jié)中具有廣闊的應(yīng)用前景，是最有效、最具競(jìng)爭(zhēng)力的新一代燒結(jié)技術(shù)。CHENG等添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的燒結(jié)助劑，對(duì)Al2O3陶瓷進(jìn)行了微波加熱，性能優(yōu)異，平均粒徑為40 μm，測(cè)得密度高達(dá)3.97 g/cm3（接近于理論密度）[5]。微波燒結(jié)的主要缺點(diǎn)是燒結(jié)溫度分布不均勻，樣品的局部區(qū)域易于熱裂。

2.2.5 微波等離子燒結(jié)法

首先通過微波作用電離氣體形成等離子體，然后通過等離子體加熱體，得到陶瓷樣品。微波等離子燒結(jié)法加熱速度快，可以提供較短的擴(kuò)散距離和較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)力來(lái)促使體積擴(kuò)散和晶界擴(kuò)散，從而Al2O3陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)得到細(xì)化。但是，燒結(jié)過程難以控制，并且容易發(fā)生熱失控，導(dǎo)致最終燒結(jié)樣品的性能均勻性差，甚至局部開裂。

2.2.6 放電等離子燒結(jié)法

該燒結(jié)方法主要利用脈沖能量和焦耳熱產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫進(jìn)行燒結(jié)。與傳統(tǒng)燒結(jié)方法相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：燒結(jié)溫度低，加熱和冷卻速度快，保溫時(shí)間短，熱效率高，燒結(jié)樣品相對(duì)密度高，力學(xué)性能好，晶粒尺寸均勻等。

2.3 陶瓷板金屬化孔

陶瓷板的金屬化孔工藝的流程主要有以下幾點(diǎn)：（1）采用激光直接切割微小孔；（2）采用激光線切割+沖床沖壓出各類孔及外型；（3）激光活化，進(jìn)行金屬化（如圖3）。

圖3 陶瓷板金屬化孔工藝

目前常用的兩種激光鉆孔[6]方法，第一種方法是CO2激光鉆孔，第二種方法是UV激光鉆孔。

CO2激光鉆孔是利用光熱燒蝕機(jī)制，由于CO2激光燒蝕基板比燒蝕銅箔容易得多，銅箔必須預(yù)先減薄和棕化或者黑化處理。同時(shí)，該過程由基底材料承受高能量，在形成的孔壁上存在黑化的碳化殘余物。為了形成堅(jiān)固的盲孔銅壁，必須在金屬化之前對(duì)孔進(jìn)行去污處理。鑒于銅箔與基板之間CO2激光能量吸收的差異，[7]提出了一種通過在銅箔表面鍍上薄錫層來(lái)研究光等離子體的方法來(lái)做激光前的表面處理，而不是使用原來(lái)的棕化或黑化過程來(lái)增加銅箔對(duì)CO2激光的能量吸收率，使其達(dá)到30%至50%。UV激光鉆孔采用光化學(xué)裂蝕機(jī)理，加工效率不如CO2激光鉆孔。UV激光鉆孔無(wú)需對(duì)銅表面進(jìn)行特殊處理即可實(shí)現(xiàn)銅和電介質(zhì)基板的一次性去除。制造工藝通常使用減成法，通過常規(guī)化學(xué)銅沉積工藝在鉆有導(dǎo)通孔的陶瓷基板上沉積薄銅層，然后干膜制作用于制作所需的電路圖形，最后去除薄膜后的電路圖案被電鍍并加厚以完成PCB板。

為了優(yōu)化加工工序和縮短加工流程，Kam Cheun Yung等[8]提出了一種制造AlN陶瓷基印制電路板的新方法。

該方法采用加成法制備，利用激光在AlN陶瓷基板上直接形成導(dǎo)通孔和線路制作。在激光照射區(qū)域形成一種活性物質(zhì)，在隨后的化學(xué)沉銅階段不再需要鈀離子的活化過程。該方法可以直接進(jìn)行銅沉積，然后進(jìn)行電鍍加厚以獲得所需的印制電路板。

3 小結(jié)

陶瓷基板分為薄膜和厚膜，前者多用于高亮度LED、太陽(yáng)能電池、微波無(wú)線通訊、半導(dǎo)體設(shè)備及軍事電子等領(lǐng)域，后者多用于汽車、醫(yī)療、航太等。陶瓷基印制電路板在大功率電力半導(dǎo)體模塊、智能功率組件、激光等工業(yè)電子產(chǎn)品中有比較廣泛的應(yīng)用。通觀整個(gè)陶瓷基印制電路板的制作流程，從基片材料的選取和制備到基片的金屬化和元器件的封裝，無(wú)一不是考驗(yàn)工業(yè)制造水準(zhǔn)的環(huán)節(jié)?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)很多企業(yè)的工藝水平還無(wú)法達(dá)到大批量生產(chǎn)的地步，處于落后位置，著力發(fā)展自主制備技術(shù)，改善工藝水平是我國(guó)電子制造行業(yè)走出國(guó)門走向世界的必經(jīng)之路。