陶瓷基印制电路板的关键技术研究

刘华珠 孟昭光 雷秋丽 张项宾

（东莞理工学院 电子工程与智能化学院，广东 东莞 523808）

（东莞市五株电子科技有限公司，广东 东莞 523293）

近年来，随着3G、4G通讯的发展，信号传输速度越来越快，数据传输量也越来越大，电子产品继续朝着轻、薄、小、高密度和多功能的方向发展。这使得印制电路板的组装密度和集成度越来越高，特别是对于具有超高频率、高功率、微型化和组件高密度集中化的印制电路板。传统印制电路板工艺很大程度上已经无法满足精密电子产品散热、良好的电气性能和高可靠性的要求。陶瓷基具有良好的物理及电器性能，将其制作成电路板有效满足电子行业对电路板的高散热高可靠性等特殊要求。陶瓷基印制电路板属于PCB的高端产品，研发与生产的技术难度很大，生产的厂家非常有限。因此，亟需自主开发陶瓷基印制电路板相关技术，提升技术水平和产品等级。

1 陶瓷基印制板制作基本方法

1.1 陶瓷基电路板分类

目前，LED陶瓷基板中使用的材料主要是氧化铝陶瓷基板，氧化铝陶瓷基板可根据电路制作方法分为三种，包括厚膜陶瓷基板、薄膜陶瓷基板和低温共烧多层陶瓷（LTCC）。

1.1.1 厚膜陶瓷电路板

通过丝网印刷技术生产厚膜陶瓷基板，使用刮刀将该材料印刷在基板上，干燥、烧结和激光。一般来说，由于网版张网的问题，由网印方式产生的线易于粗糙和对准不准确。因此，对于需要更小尺寸要求的高功率LED产品，厚膜陶瓷基板的精度逐渐变得不足。

1.1.2 薄膜陶瓷电路板

近年，已经开发出薄膜陶瓷基板作为LED管芯的散热基板，以改善厚膜制程张网的问题和层压和烧结后的收缩率。薄膜散热基板通过溅射，电/电化学沉积和黄光微影制程来制作。它有如下特点：（1）低温工艺（低于300℃），避免高温材料损坏或尺寸变化；（2）黄色光刻工艺是使用使基板上的电路更精确；（3）金属电路不易脱落。

因此，薄膜陶瓷基板适用于要求高对准精度的高功率、小尺寸、高亮度LED和共晶/倒装芯片封装工艺。

1.1.3 低温共烧多层陶瓷电路板

采用陶瓷作为基板材料的低温共烧多层陶瓷技术，通过网印方式在基板上印刷线路，集成多层陶瓷基板，最后通过低温烧结。由于金属电路层也是通过网印制程制成的，所以存在因为张网问题而引起的对位误差。另外，在层压和烧结多层陶瓷后，还需考虑收缩率。如果将低温共烧多层陶瓷用于需要精确线路对准的共晶/覆晶LED产品，则将更加严格。

我公司结合产品发展的战略方向，初期主要是以薄膜陶瓷基板为主，生产单双面及多层陶瓷印制电路板。

1.2 陶瓷基电路板制作工艺流程

1.2.1 双面与四层陶瓷板工艺流程

双面陶瓷板工艺流程如图1。

四层陶瓷板工艺流程主要流程如图2。

此外，传统陶瓷PCB工艺在PCB表面制作线路流程为：压膜→曝光→显影→蚀刻→退膜。而新开发的工艺只需：沉铜→电镀，即可制作出线路，制作工艺简单，节约铜的损耗。

图1 双面陶瓷板工艺流程

图2 四层陶瓷板工艺主要流程

2 相关技术

2.1 多层化方法

陶瓷基板分为结晶玻璃和玻璃填料，主要使用氧化铝作为填料。板上的导电图案材料是铜、银、金、钯、铂等，也可使用钨和钼，稳定性好。陶瓷多层板的制造工艺具有一次烧结多层法和厚膜多层法。简单的工艺流程如下。

（1）一次烧结多层法工艺流程：陶瓷坯料→冲压成型→印刷导电层→层压或印刷绝缘层→外形冲切→烧结→镀贵金属

（2）厚膜多层法工艺流程：陶瓷坯料→冲压成型→烧结→印刷导电层→烧结→印刷绝缘层→印制导电层→烧结（按层数往返操作）

2.2 陶瓷烧结技术

陶瓷的烧结是胚体在较高温度下致密化的过程，这一过程通过完成一系列物理和化学变化来实现。在陶瓷烧结过程中，主要发生宏观变化，例如体积收缩、相对密度增加、强度和硬度增加等。纯陶瓷基片烧结工艺有多种，常用的陶瓷材料烧结方法主要包括微波等离子烧结法、常压烧结法、热等静压烧结法、热压烧结法、微波加热烧结法、放电等离子烧结法等[1]。

2.2.1 常压烧结法[2]

在常压烧结时，材料不加压使其在大气压下烧结，并且通常在传统电炉中进行，该方法是陶瓷烧结中最常用的烧结方法。烧结温度的选择可通过固相烧结引起足够的原子扩散，液相烧结可以基于液相的形成、扩散和粘性流动，通常选取主要组分材料的熔点为0.5～0.8。然而，当烧结温度高时，烧结时间长，导致能量浪费，并且烧结样品具有较低的相对密度。

2.2.2 热压烧结法

热压烧结的基本原理是在加热生坯的同时施加单向应力，并且借助压力的作用和表面能量的减小一起促进生坯烧结。热压烧结是一种强化烧结工艺，广泛用于在普通无压烧结条件下制备难以致密化的材料，因此热压烧结通常被称为“完全致密工艺”[3]。在热压烧结中，粉末材料的扩散远高于常压，因此热压烧结的温度一般低于常温烧结温度，烧结时间也较短。热压烧结对模具和工艺参数的要求较高，生产成本高于常压烧结。加热和冷却都需要很长时间，通常只能制备相对简单的形状产品，并且必须进行烧结产品的后续加工，生产效率较低。

2.2.3 热等静压烧结法

这是一种同时成型和烧结的技术方法。基本原理是以由氮气和氨气等气体作为压力介质，在粉末烧结过程中施加均衡的外压，高温高压的共同作用使得材料致密化。热等静压烧结法具有生产效率高、材料损耗率低、制备的陶瓷材料晶粒均匀、致密度高、密度接近理论密度等优点，但也存在一些缺点，如热等静压设备价格昂贵，运行成本高。目前，在实验室中，一些特殊的陶瓷、复合材料和硬质合金经常通过热等静压方法制备。如可制备高强度高韧性Al2O3陶瓷，由于昂贵的热等静压设备和严格的压力条件，生产效率低，难以实现大规模生产[4]。

2.2.4 微波加热烧结法

通过利用微波电磁场中材料的介电损耗将材料表面和内部同时加热到烧结温度，以实现烧结。微波烧结具有许多优点，其独特的烧结机制是传统的加热方式无法实现的。它在Al2O3陶瓷烧结中具有广阔的应用前景，是最有效、最具竞争力的新一代烧结技术。CHENG等添加了质量分数为0.5%的烧结助剂，对Al2O3陶瓷进行了微波加热，性能优异，平均粒径为40 μm，测得密度高达3.97 g/cm3（接近于理论密度）[5]。微波烧结的主要缺点是烧结温度分布不均匀，样品的局部区域易于热裂。

2.2.5 微波等离子烧结法

首先通过微波作用电离气体形成等离子体，然后通过等离子体加热体，得到陶瓷样品。微波等离子烧结法加热速度快，可以提供较短的扩散距离和较强的驱动力来促使体积扩散和晶界扩散，从而Al2O3陶瓷的微观结构得到细化。但是，烧结过程难以控制，并且容易发生热失控，导致最终烧结样品的性能均匀性差，甚至局部开裂。

2.2.6 放电等离子烧结法

该烧结方法主要利用脉冲能量和焦耳热产生的瞬时高温进行烧结。与传统烧结方法相比，具有如下优点：烧结温度低，加热和冷却速度快，保温时间短，热效率高，烧结样品相对密度高，力学性能好，晶粒尺寸均匀等。

2.3 陶瓷板金属化孔

陶瓷板的金属化孔工艺的流程主要有以下几点：（1）采用激光直接切割微小孔；（2）采用激光线切割+冲床冲压出各类孔及外型；（3）激光活化，进行金属化（如图3）。

图3 陶瓷板金属化孔工艺

目前常用的两种激光钻孔[6]方法，第一种方法是CO2激光钻孔，第二种方法是UV激光钻孔。

CO2激光钻孔是利用光热烧蚀机制，由于CO2激光烧蚀基板比烧蚀铜箔容易得多，铜箔必须预先减薄和棕化或者黑化处理。同时，该过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残余物。为了形成坚固的盲孔铜壁，必须在金属化之前对孔进行去污处理。鉴于铜箔与基板之间CO2激光能量吸收的差异，[7]提出了一种通过在铜箔表面镀上薄锡层来研究光等离子体的方法来做激光前的表面处理，而不是使用原来的棕化或黑化过程来增加铜箔对CO2激光的能量吸收率，使其达到30%至50%。UV激光钻孔采用光化学裂蚀机理，加工效率不如CO2激光钻孔。UV激光钻孔无需对铜表面进行特殊处理即可实现铜和电介质基板的一次性去除。制造工艺通常使用减成法，通过常规化学铜沉积工艺在钻有导通孔的陶瓷基板上沉积薄铜层，然后干膜制作用于制作所需的电路图形，最后去除薄膜后的电路图案被电镀并加厚以完成PCB板。

为了优化加工工序和缩短加工流程，Kam Cheun Yung等[8]提出了一种制造AlN陶瓷基印制电路板的新方法。

该方法采用加成法制备，利用激光在AlN陶瓷基板上直接形成导通孔和线路制作。在激光照射区域形成一种活性物质，在随后的化学沉铜阶段不再需要钯离子的活化过程。该方法可以直接进行铜沉积，然后进行电镀加厚以获得所需的印制电路板。

3 小结

陶瓷基板分为薄膜和厚膜，前者多用于高亮度LED、太阳能电池、微波无线通讯、半导体设备及军事电子等领域，后者多用于汽車、医疗、航太等。陶瓷基印制电路板在大功率电力半导体模块、智能功率组件、激光等工业电子产品中有比较广泛的应用。通观整个陶瓷基印制电路板的制作流程，从基片材料的选取和制备到基片的金属化和元器件的封装，无一不是考验工业制造水准的环节。现在国内很多企业的工艺水平还无法达到大批量生产的地步，处于落后位置，着力发展自主制备技术，改善工艺水平是我国电子制造行业走出国门走向世界的必经之路。