陶瓷基印制電路板的關鍵技術研究

劉華珠 孟昭光 雷秋麗 張項賓

（東莞理工學院 電子工程與智能化學院，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，隨著3G、4G通訊的發展，信號傳輸速度越來越快，數據傳輸量也越來越大，電子產品繼續朝著輕、薄、小、高密度和多功能的方向發展。這使得印制電路板的組裝密度和集成度越來越高，特別是對于具有超高頻率、高功率、微型化和組件高密度集中化的印制電路板。傳統印制電路板工藝很大程度上已經無法滿足精密電子產品散熱、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對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的高端產品，研發與生產的技術難度很大，生產的廠家非常有限。因此，亟需自主開發陶瓷基印制電路板相關技術，提升技術水平和產品等級。

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

通過絲網印刷技術生產厚膜陶瓷基板，使用刮刀將該材料印刷在基板上，干燥、燒結和激光。一般來說，由于網版張網的問題，由網印方式產生的線易于粗糙和對準不準確。因此，對于需要更小尺寸要求的高功率LED產品，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，已經開發出薄膜陶瓷基板作為LED管芯的散熱基板，以改善厚膜制程張網的問題和層壓和燒結后的收縮率。薄膜散熱基板通過濺射，電/電化學沉積和黃光微影制程來制作。它有如下特點：（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準精度的高功率、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，通過網印方式在基板上印刷線路，集成多層陶瓷基板，最后通過低溫燒結。由于金屬電路層也是通過網印制程制成的，所以存在因為張網問題而引起的對位誤差。另外，在層壓和燒結多層陶瓷后，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準的共晶/覆晶LED產品，則將更加嚴格。

我公司結合產品發展的戰略方向，初期主要是以薄膜陶瓷基板為主，生產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。而新開發的工藝只需：沉銅→電鍍，即可制作出線路，制作工藝簡單，節約銅的損耗。

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 相關技術

2.1 多層化方法

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

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

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

2.2 陶瓷燒結技術

陶瓷的燒結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變化來實現。在陶瓷燒結過程中，主要發生宏觀變化，例如體積收縮、相對密度增加、強度和硬度增加等。純陶瓷基片燒結工藝有多種，常用的陶瓷材料燒結方法主要包括微波等離子燒結法、常壓燒結法、熱等靜壓燒結法、熱壓燒結法、微波加熱燒結法、放電等離子燒結法等[1]。

2.2.1 常壓燒結法[2]

在常壓燒結時，材料不加壓使其在大氣壓下燒結，并且通常在傳統電爐中進行，該方法是陶瓷燒結中最常用的燒結方法。燒結溫度的選擇可通過固相燒結引起足夠的原子擴散，液相燒結可以基于液相的形成、擴散和粘性流動，通常選取主要組分材料的熔點為0.5～0.8。然而，當燒結溫度高時，燒結時間長，導致能量浪費，并且燒結樣品具有較低的相對密度。

2.2.2 熱壓燒結法

熱壓燒結的基本原理是在加熱生坯的同時施加單向應力，并且借助壓力的作用和表面能量的減小一起促進生坯燒結。熱壓燒結是一種強化燒結工藝，廣泛用于在普通無壓燒結條件下制備難以致密化的材料，因此熱壓燒結通常被稱為“完全致密工藝”[3]。在熱壓燒結中，粉末材料的擴散遠高于常壓，因此熱壓燒結的溫度一般低于常溫燒結溫度，燒結時間也較短。熱壓燒結對模具和工藝參數的要求較高，生產成本高于常壓燒結。加熱和冷卻都需要很長時間，通常只能制備相對簡單的形狀產品，并且必須進行燒結產品的后續加工，生產效率較低。

2.2.3 熱等靜壓燒結法

這是一種同時成型和燒結的技術方法。基本原理是以由氮氣和氨氣等氣體作為壓力介質，在粉末燒結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。熱等靜壓燒結法具有生產效率高、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點，但也存在一些缺點，如熱等靜壓設備價格昂貴，運行成本高。目前，在實驗室中，一些特殊的陶瓷、復合材料和硬質合金經常通過熱等靜壓方法制備。如可制備高強度高韌性Al2O3陶瓷，由于昂貴的熱等靜壓設備和嚴格的壓力條件，生產效率低，難以實現大規模生產[4]。

2.2.4 微波加熱燒結法

通過利用微波電磁場中材料的介電損耗將材料表面和內部同時加熱到燒結溫度，以實現燒結。微波燒結具有許多優點，其獨特的燒結機制是傳統的加熱方式無法實現的。它在Al2O3陶瓷燒結中具有廣闊的應用前景，是最有效、最具競爭力的新一代燒結技術。CHENG等添加了質量分數為0.5%的燒結助劑，對Al2O3陶瓷進行了微波加熱，性能優異，平均粒徑為40 μm，測得密度高達3.97 g/cm3（接近于理論密度）[5]。微波燒結的主要缺點是燒結溫度分布不均勻，樣品的局部區域易于熱裂。

2.2.5 微波等離子燒結法

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。微波等離子燒結法加熱速度快，可以提供較短的擴散距離和較強的驅動力來促使體積擴散和晶界擴散，從而Al2O3陶瓷的微觀結構得到細化。但是，燒結過程難以控制，并且容易發生熱失控，導致最終燒結樣品的性能均勻性差，甚至局部開裂。

2.2.6 放電等離子燒結法

該燒結方法主要利用脈沖能量和焦耳熱產生的瞬時高溫進行燒結。與傳統燒結方法相比，具有如下優點：燒結溫度低，加熱和冷卻速度快，保溫時間短，熱效率高，燒結樣品相對密度高，力學性能好，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：（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制，由于CO2激光燒蝕基板比燒蝕銅箔容易得多，銅箔必須預先減薄和棕化或者黑化處理。同時，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。為了形成堅固的盲孔銅壁，必須在金屬化之前對孔進行去污處理。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研究光等離子體的方法來做激光前的表面處理，而不是使用原來的棕化或黑化過程來增加銅箔對CO2激光的能量吸收率，使其達到30%至50%。UV激光鉆孔采用光化學裂蝕機理，加工效率不如CO2激光鉆孔。UV激光鉆孔無需對銅表面進行特殊處理即可實現銅和電介質基板的一次性去除。制造工藝通常使用減成法，通過常規化學銅沉積工藝在鉆有導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通孔和線路制作。在激光照射區域形成一種活性物質，在隨后的化學沉銅階段不再需要鈀離子的活化過程。該方法可以直接進行銅沉積，然后進行電鍍加厚以獲得所需的印制電路板。

3 小結

陶瓷基板分為薄膜和厚膜，前者多用于高亮度LED、太陽能電池、微波無線通訊、半導體設備及軍事電子等領域，后者多用于汽車、醫療、航太等。陶瓷基印制電路板在大功率電力半導體模塊、智能功率組件、激光等工業電子產品中有比較廣泛的應用。通觀整個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，無一不是考驗工業制造水準的環節。現在國內很多企業的工藝水平還無法達到大批量生產的地步，處于落后位置，著力發展自主制備技術，改善工藝水平是我國電子制造行業走出國門走向世界的必經之路。