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2。2 三維陶瓷基板製備技術工藝和特點
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、溼氣、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 （甚至降低至幾千小時）。
為了提高這些微電子器件效能 （特別是可靠性），必須將其晶片封裝在真空或保護氣體中，實現氣密封裝 （晶片置於密閉腔體中，與外界氧氣、溼氣、灰塵等隔絕）。
因此，必須首先製備含腔體 （圍壩）結構的三維基板，滿足封裝應用需求。目前，常見的三維陶瓷基板主要有：
高/低溫共燒陶瓷基板（High/Low Temperature Co-fired Ceramic Substrate， HTCC/LTCC） 、
多 層 燒 結 三 維 陶 瓷 基 板 （MultilayerSintering Ceramic Substrate，MSC）、
直接粘接三維陶瓷基板 （Direct Adhere Ceramic Substrate，DAC）、
層鍍銅三維陶瓷基板（Multilayer Plated Ceramic Substrate，MPC）
直接成型三維陶瓷基板（Direct Molding Ceramic Substrate，DMC）
高/低溫共燒陶瓷基板 (HTCC/LTCC)：
HTCC 基板製備過程中先將陶瓷粉 （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，再透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°C） 中燒結而成，如圖 16 所示。
由於 HTCC 基板製備工藝溫度高，因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 ［20 W/（m·K） ~ 200 W/（m·K）］，物化效能穩定，適合大功率及高溫環境下器件封裝，如圖 17 （a） 所示。Cheah 等人將 HTCC 工藝應用於微型蒸汽推進器，製備的微型加熱器比矽基推進器效率更高，能耗降低 21%以上。
為了降低 HTCC 製備工藝溫度，同時提高線路層導電性，業界開發了 LTCC 基板。
與 HTCC 製備工藝類似，只是 LTCC 製備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 等製備金屬漿料，如圖 17 （b） 所示。
LTCC 基板製備溫度低，但生產效率高，可適應高溫、高溼及大電流應用要求，在軍工及航天電子器件中得到廣泛應用。
Yuan 等人選用CaO-BaO-Al2O3-B2O3-SiO2/AlN 體系原料，當 AlN 組分含量為 40% 時，研製的 LTCC 基板熱導率為 5。9W/（m·K），介電常數為 6。3，介電損耗為 4。9 × 10-3，彎曲強度高達 178 MPa。Qing 等人採用Li2O-Al2O3-SiO2/Al2O3 體系原料，製備的 LTCC 基板抗彎強度為 155 MPa，介電損耗為 2。49 × 10-3。
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 3 W/（m·K） ~ 7 W/（m·K）］。
此外，與 HTCC 一樣，由於 LTCC 基板採用絲網印刷技術製作金屬線路，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異問題，影響成品率，一定程度上制約了 LTCC 基板技術發展。
Yan 等人經過表面處理將 LTCC 基板翹曲由 150 μm ~ 250 μm 降低至 80 μm ~ 110 μm；Sim 等人透過改進 LTCC基板封裝形式，去掉晶片與金屬基底間絕緣層，模擬和實驗結果顯示其熱阻降低為 7。3 W/（m·K），滿足大功率 LED 封裝需求。
多層燒結三維陶瓷基板 （MSC）技術工藝和特點
與 HTCC/LTCC 基板一次成型製備三維陶瓷基板不同，臺灣陽升公司採用多次燒結法制備了 MSC 基板。
其工藝流程如圖 18 所示，首先製備厚膜印刷陶瓷基板（TPC），隨後透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，再經高溫燒結而成，得到的 MSC 基板樣品如圖 19 所示。
由於陶瓷漿料燒結溫度一般在 800°C 左右，因此要求下部的 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。
由上文可知，TPC 基板線路層由金屬漿料高溫燒結 （一般溫度為 850°C ~ 900°C） 製備，具有較好的耐高溫效能，適合後續採用燒結法制備陶瓷腔體。
MSC 基板技術生產裝置和工藝簡單，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，製備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，所製備的 MSC 基板腔體厚度 （深度） 有限。因此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。
直接粘接三維陶瓷基板 （DAC）工藝流程和特點：
上述 HTCC、LTCC 及 MSC 基板線路層都採用絲網印刷製備，精度較低，難以滿足高精度、高整合度封裝要求，因此業界提出在高精度 DPC 陶瓷基板上成型腔體制備三維陶瓷基板。
由於 DPC 基板金屬線路層在高溫 （超過 300°C） 下會出現氧化、起泡甚至脫層等現象，因此基於 DPC 技術的三維陶瓷基板製備必須在低溫下進行。
臺灣璦司柏公司 （ICP） 提出採用膠粘法制備三維陶瓷基板，樣品如圖 20 所示。首先加工金屬環和 DPC 陶瓷基板，然後採用有機粘膠將金屬環與 DPC 基板對準後粘接、加熱固化，如圖 21 所示。
由於膠液流動性好，因此塗膠工藝簡單，成本低，易於實現批次生產，且所有制備工藝均在低溫下進行，不會對 DPC 基板線路層造成損傷。
但是，由於有機粘膠耐熱性差，固化體與金屬、陶瓷間熱膨脹係數差較大，且為非氣密性材料，目前 DAC 陶瓷基板主要應用於線路精度要求較高，但對耐熱性、氣密性、可靠性等要求較低的電子器件封裝。
為了解決上述不足，業界進一步提出採用無機膠替代有機膠的粘接技術方案，大大提高了 DAC三維陶瓷基板的耐熱性和可靠性。
其技術關鍵是選用無機膠，要求其能在低溫 （低於 200°C） 下固化；固化體耐熱性好 （能長期耐受 300°C 高溫），與金屬、陶瓷材料粘接性好 （剪下強度大於 10 MPa），同時與金屬環 （圍壩） 和陶瓷基片材料熱膨脹係數匹配 （降低介面熱應力）。美國科銳公司 （Cree） XRE 系列產品封裝基板既採用了該技術方案，如圖 22。
多層電鍍三維陶瓷基板 （MPC）工藝流程和特點
為了發揮 DPC 陶瓷基板技術優勢 （高圖形精度、垂直互連等），吳朝暉等人提出採用多次/層電鍍增厚技術，在 DPC 陶瓷基板上直接製備具有厚銅圍壩結構的三維陶瓷基板，如圖 23 （a） 所示。
其製備工藝與 DPC 基板類似，只是在完成平面 DPC 基板線路層加工後，再透過多次光刻、顯影和圖形電鍍完成圍壩製備 （厚度一般為 500μm ~ 700 μm），如圖 24 所示。
指出的是，由於幹膜厚度有限 （一般為 50 μm ~ 80 μm），需要反覆進行光刻、顯影、圖形電鍍等工藝；同時為了提高生產效率，需要在電鍍增厚圍壩時提高電流密度，導致鍍層表面粗糙，需要不斷進行研磨，保持鍍層表面平整與光滑。
MPC 基板採用圖形電鍍工藝製備線路層，避免了HTCC/LTCC 與 TPC 基板線路粗糙問題，滿足高精度封裝要求。
陶瓷基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 基板整體為全無機材料，具有良好的耐熱性，抗腐蝕、抗輻射等。
圍壩結構形狀可以任意設計，圍壩頂部可製備出定位臺階，便於放置玻璃透鏡或蓋板，目前已成功應用於深紫外 LED封裝和 VCSEL 鐳射器封裝，已部分取代 LTCC 基板。
其缺點在於：由於幹膜厚度限制，製備過程需要反覆進行光刻、顯影、圖形電鍍與表面研磨，耗時長 （厚度為 600 μm 圍壩需要電鍍 10 h 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。
直接成型三維陶瓷基板 （DMC）工藝流程和特點
為了提高三維陶瓷基板生產效率，同時保證基板線路精度與可靠性，陳明祥等人提出製備含免燒陶瓷圍壩的三維陶瓷基板，其樣品如圖 25 所示。
為了製備具有高結合強度、高耐熱性的陶瓷圍壩，實驗採用鹼激發鋁矽酸鹽漿料（alkali-activated aluminosilicate cement paste， ACP） 作為圍壩結構材料。
圍壩由偏高嶺土在鹼性溶液中脫水縮合而成，具有低溫固化、耐熱性好 （可長期耐受 500°C 高溫）、與金屬/陶瓷粘接強度高、抗腐蝕，物化效能穩定等優點，滿足電子封裝應用需求。
基板製備工藝流程如圖 26 所示，首先製備平面 DPC 陶瓷基板，同時製備帶孔橡膠模具；將橡膠模具與 DPC 陶瓷基板對準合模後，向模具腔內填充犧牲模材料；待犧牲模材料固化後，取下橡膠模具，犧牲模粘接於 DPC 陶瓷基板上，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 陶瓷基板上並刮平，加熱固化，最後將犧牲模材料腐蝕，得到含鋁矽酸鹽免燒陶瓷圍壩的三維陶瓷基板。
鋁矽酸鹽漿料固化溫度低，對 DPC 陶瓷基板線路層影響極小，並與 DPC 基板製備工藝相容。
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。
實驗結果表明，腔體深度、直徑加工誤差均小於 30 μm，說明該工藝製備的三維陶瓷基板精度高，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，熱膨脹係數與陶瓷基片匹配，具有良好的熱穩定性；固化體與陶瓷、金屬粘接強度高，製備的三維陶瓷基板可靠性高。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。
表 3 比較了上述不同三維陶瓷基板效能的一些基本效能。與表 2 重複或類似的資料不再列入。
陶瓷基板發展趨勢分析
陶瓷基板整合化：一般而言，TPC、DBC 和 AMB 陶瓷基板只適合製備單面線路層 （或雙面線路層，但上下層不導通）。如果要實現上下層導通，需要先鐳射打孔 （孔徑一般大於 200 μm），然後孔內填充金屬漿料後燒結而成，孔內金屬層導電、導熱性差，基板可靠性低。
HTCC/LTCC 基板採用多層生胚片疊加 （金屬通孔對準） 後燒結制備，因此可實現基板內垂直互連，提高封裝整合度，但HTCC/LTCC 基板電阻率較大，電流通載能力較低。
DPC 陶瓷基板可以採用鐳射打孔 （孔徑一般為60 μm ~ 120 μm） 和電鍍填孔技術製備金屬通孔，由於孔內電鍍填充緻密銅柱，導電導熱效能優良，因而可實現陶瓷基板上下線路層垂直互連。
在此基礎上，透過電鍍增厚等技術製備圍壩，可得到含圍壩結構的三維陶瓷基板；如果採用焊接/粘接技術實現多片 DPC 基板垂直整合，則可以進一步得到多層陶瓷基板 （Multilayer Ceramic Substrate， MLC，如圖 26），滿足功率器件三維封裝和異質整合需求。
陶瓷基板逐漸往高功率、高整合化、高精密、精細化方方向發展。對技術的要求越來越高，也講促進陶瓷基板製備水平不斷上升。
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