PCB Bolg - 三維陶瓷電路板的製造技術

三維陶瓷電路板的應該非常廣泛，許多微電子器件（如加速度計、陀螺儀、深紫外LED等）晶片對空氣、濕氣、灰塵等非常敏感。 如LED晶片理論上可工作10萬小時以上，但水汽侵蝕會大大縮短其壽命。 為了提高這些微電子器件效能，必須將其晶片封裝在真空或保護氣體中，實現氣密封裝。 囙此，必須首先製造含腔體（圍壩）結構的三維陶瓷電路板，滿足封裝應用需求。

常見的三維陶瓷電路板主要有：高/低溫共燒陶瓷電路板（HTCC/LTCC）、多層燒結三維陶瓷電路板（MSC）、直接粘接三維陶瓷電路板（DAC）、多層鍍銅三維陶瓷電路板（MPC）以及直接成型三維陶瓷電路板（DMC）等。

HTCC基板製造過程中先將陶瓷粉（Al2O3或AlN）加入有機黏結劑，混合均勻後成為膏狀陶瓷漿料，接著利用刮刀將陶瓷漿料刮成片狀，再通過乾燥工藝使片狀漿料形成生胚。 然後根據線路層設計鑽導通孔，採用絲網印刷金屬漿料進行佈線和填孔，最後將各生胚層疊加，置於高溫爐（1600℃）中燒結而成。 由於HTCC基板製造工藝溫度高，囙此導電金屬選擇受限，只能採用熔點高但導電性較差的金屬（如W、Mo及Mn等），製作成本較高。

此外，受到絲網印刷工藝限制，HTCC基板線路精度較差，難以滿足高精度封裝需求。 但HTCC基板具有較高機械強度和熱導率[20W/（m·K）~200W/（m·K）]，物化性能穩定，適合大功率及高溫環境下器件封裝。

為了降低HTCC製造工藝溫度，同時提高線路層導電性，業界開發了LTCC基板。 與HTCC製造工藝類似，只是LTCC製造在陶瓷漿料中加入了一定量玻璃粉來降低燒結溫度，同時使用導電性良好的Cu、Ag和Au等製造金屬漿料。 LTCC基板製造溫度低，但生產效率高，可適應高溫、高濕及大電流應用要求，在軍工及航太電子器件中得到廣泛應用。

雖然LTCC基板具有上述優勢，但由於在陶瓷漿料中添加了玻璃粉，導致基板熱導率偏低[一般僅為3W/（m·K）~7W/（m·K）]。 此外，與HTCC一樣，由於LTCC基板採用絲網印刷科技製作金屬線路，有可能因張網問題造成對位誤差，導致金屬線路層精度低。 而且多層陶瓷生胚疊壓燒結時還存在收縮比例差异問題，影響成品率，一定程度上制約了LTCC基板科技發展。

與HTCC/LTCC基板一次成型製造三維陶瓷電路板不同，臺灣陽升公司採用多次燒結法製造了MSC基板。 首先製造厚膜印刷陶瓷電路板（TPC），隨後通過多次絲網印刷將陶瓷漿料印刷於平面TPC基板上，形成腔體結構，再經高溫燒結得到MSC基板。

由於陶瓷漿料燒結溫度一般在800℃左右，囙此要求下部的TPC基板線路層必須能耐受如此高溫，防止在燒結過程中出現脫層或氧化等缺陷。 TPC基板線路層由金屬漿料高溫燒結（一般溫度為850℃~900℃）製造，具有較好的耐高溫效能，適合後續採用燒結法製造陶瓷腔體。

三維陶瓷電路板

MSC基板科技生產設備和工藝簡單，平面基板與腔體結構獨立燒結成型，且由於腔體結構與平面基板均為無機陶瓷材料，熱膨脹係數匹配，製造過程中不會出現脫層、翹曲等現象。 其缺點在於，下部TPC基板線路層與上部腔體結構均採用絲網印刷佈線，圖形精度較低。 同時，因受絲網印刷工藝限制，所製造的MSC基板腔體厚度有限。 囙此MSC三維基板僅適用於體積較小、精度要求不高的電子器件封裝。

HTCC、LTCC及MSC基板線路層都採用絲網印刷製造，精度較低，難以滿足高精度、高集成度封裝要求，囙此業界提出在高精度DPC陶瓷電路板上成型腔體製造三維陶瓷電路板。 由於DPC基板金屬線路層在高溫（超過300℃）下會出現氧化、起泡甚至脫層等現象，囙此基於DPC科技的三維陶瓷電路板製造必須在低溫下進行。

MPC基板採用圖形電鍍工藝製造線路層，避免了HTCC/LTCC與TPC基板線路粗糙問題，滿足高精度封裝要求。 陶瓷電路板與金屬圍壩一體化成型為密封腔體，結構緊湊，無中間粘結層，氣密性高。

MPC基板整體為全無機資料，具有良好的耐熱性，抗腐蝕、抗輻射等。 金屬圍壩結構形狀可以任意設計，圍壩頂部可製造出定位臺階，便於放置玻璃透鏡或蓋板，現時已成功應用於深紫外LED封裝和VCSEL雷射器封裝，已部分取代LTCC基板。

其缺點在於：由於幹膜厚度限制，製造過程需要反復進行光刻、顯影、圖形電鍍與表面研磨，耗時長（厚度為600μm圍壩需要電鍍10h以上），生產成本高。 此外，由於電鍍圍壩銅層較厚，內部應力大，MPC基板容易翹曲變形，影響後續的晶片封裝質量與效率。

DMC基板的製造，首先製造平面DPC陶瓷電路板，同時製造帶孔橡膠模具。 將橡膠模具與DPC陶瓷電路板對準合模後，向模具腔內填充犧牲模資料。 待犧牲模資料固化後，取下橡膠模具，犧牲模粘接於DPC陶瓷電路板上，並精確複製橡膠模具孔結構特徵，作為鋁矽酸鹽漿料成型模具。 隨後將鋁矽酸鹽漿料塗覆於DPC陶瓷電路板上並刮平，加熱固化，最後將犧牲模資料腐蝕，得到含鋁矽酸鹽免燒陶瓷圍壩的三維陶瓷電路板。

鋁矽酸鹽漿料固化溫度低，對DPC陶瓷電路板線路層影響極小，並與DPC基板製造工藝相容。 橡膠具有易加工、易脫模以及價格低廉等特點，能精確複製圍壩結構（腔體）形狀與尺寸，保證圍壩加工精度。 有實驗結果表明，腔體深度、直徑加工誤差均小於30μm，說明該工藝製造的三維陶瓷電路板精度高，重複性好，適合量產。 鋁矽酸鹽漿料加熱後脫水縮合，主要產物為無機聚合物，其耐熱性好，熱膨脹係數與陶瓷電路板匹配，具有良好的熱穩定性。 固化體與陶瓷、金屬粘接强度高，製造的三維陶瓷電路板可靠性高。 圍壩厚度（腔體高度）取決於模具厚度，理論上不受限制，可滿足不同結構和尺寸的電子器件封裝要求。