陶瓷基板制备方法

一、引言

陶瓷金属化技术起源于20世纪初期的德国，1935年德国西门子公司Vatter第一次区分陶瓷金属化技术并将产品成功实际应用到真空电子器件中，1956年Mo-Mn法自然诞生，此法应用广泛区分于电子工业中的氧化铝陶瓷与金属再连接。对于今天，大功率器件逐渐经济的发展，陶瓷基板又因其可靠的性能成为当今电子器件基板及封装材料的主流，因此，实现方法陶瓷与金属之间的靠谱连接上是往前推进陶瓷材料应用的关键。

二、具体方法陶瓷基板制作工艺

目前具体用法陶瓷基板制作工艺有：(1)就覆铜法、(2)活性金属钎焊法、(3)然后电镀法。

(1)然后覆铜法

利用高温熔融扩撒工艺将陶瓷基板与高纯无氧铜覆接到消息一起，造而成的基板叫DBC。具体用法的陶瓷材料有：氧化铝、氮化铝。所自然形成的金属层导热性好、机械性能优良、绝缘性及热循环能力高、附着强度高、便于日后刻蚀工艺，大电流载流能力。

(2)活性金属钎料法

通过在钎焊合金中一并加入活性元素如：Ti、Sc、Zr、Cr等，在热多压力的作用下将金属与陶瓷直接连接过来。其中活性元素的作用是使陶瓷与金属无法形成反应产物，并增加润湿性、粘合性和附着性。造而成的基板叫AMB板，具体方法的陶瓷材料有：氮化铝、氮化硅。

(3)再电镀法

按照在制取好通孔的陶瓷基片上，（凭借激光对DPC基板切孔与通孔填铜后，可实现方法陶瓷基板上下膜的互联，最大限度地不满足电子器件的三维封装方法要求。孔径一般为602μm~120微米）借用磁控溅射技术在其表面沉积金属层（一般为10μm~100μm），并是从磨制降低线路层表面粗糙度，压制而成的基板叫DPC，具体方法的陶瓷材料有氧化铝、氮化铝。该方法催化剂合成的陶瓷基板具备要好的平整度盒更强的结合力。

以内三种方法制备过程的陶瓷基板已在电力电子技术、工业、白色家电、新能源汽车等领域所应用到，又是目前广泛的陶瓷基板类型。

三、那些陶瓷金属化方法

其余陶瓷金属化方法有：(1)机械连接到法、(2)厚膜法、(3)激光活化保护金属法；(4)化学镀铜金属化；(6)薄膜法。

(1)机械连接上法是采取的措施合理不的结构设计，将AlN基板与金属再连接在一起，比较多有热套再连接和螺栓连接两种。热套连接到是利用金属与陶瓷两种材料的热膨胀系数存在较大差异和物质的热胀冷缩来实现方法连接到的。机械直接连接法工艺简单，可行性好，但它老爱会再产生应力集中，不适用于高温环境。

(2)厚膜法是让金属粉末在高温还原功能性气氛中，在陶瓷表面上烧结成金属膜。通常有Mo-Mn金属化法和贵金属(Ag、Au、Pd、Pt)厚膜金属化法。涂敷金属这个可以用丝网印刷的方法，根据金属浆料粘度和丝网网孔尺寸完全不同，制备过程的金属线路层厚度一般为10μm-202μm该方法工艺简单，尤其适合自动化和多品种小批量生产，且导电性能好，但结合强度不够高，特别是高温增强强度低，且受温度形象大。

(3)激光活化历史金属法是一种比较新颖的方法，是需要用来沉降法在氮化铝陶瓷基板表面急速覆金属，并在室温下实际激光扫描基于金属在氮化铝陶瓷基板表面金属化。连成致密坚硬的金属层，且金属层在氮化铝陶瓷表面粒度分布分布均匀。激光束是将部分能量传递给所镀金属和陶瓷基板，氮化铝陶瓷基板与金属层是按照一层熔化后形成的凝物理反应物质紧密连接的，二者之间的传质是按照扩散、溅射这些再一次发生化学反应利用的，这些反应促进金属与陶瓷的结合。东北大学的郎小月[7]用该方法制备出了金属钨层氮化铝陶瓷基板，其中金属钨与氮化铝陶瓷基板的剪切强度大能提升62.5MPa，金属与陶瓷金属化后整体的导热率为114.37W/(m·K)，为大功率电子器件散热提供了广阔的应用前景。

(4)化学镀铜金属化是区分化学镀液在表面连成金属层的方法，该方法不需要经高温处理，成本低，渐渐适应于大规模生产。但他，增强强度不高，陶瓷本身对金属的化学还原也没催化活性，如不作预处理则不可能在陶瓷表面实现程序化学镀，所以，需在化学镀前并且敏化和活化功能一次性处理。张咪等人[9]常规化学镀的方法在陶瓷表面催化剂合成了特点力良好素质，镀层分布均匀，后致密的Cu金属层。

(5)薄膜法大多数有真空蒸镀法、熔盐电解法、等离子溅射等，这类工艺要注意是使金属以气态形式沉积到陶瓷表面上而形成牢固的金属化膜。其特点是连成的金属膜较薄(<1μm)而无过渡层，且气态沉积不需要高温，该方法可以镀完全没有金属在陶瓷基板上成膜，使实现金属化，薄膜金属化法出现的金属层匀实，与基板结合强度高，但设备投资大，难以不能形成工业化规模。用此方法催化剂合成时，金属膜层要最好就是与陶瓷基板的热膨胀系数一致，以大小改变薄膜应力、增强金属膜层的附着力。

将金属汽化，再冰冷在基材上。工艺过程全部在抽成一定真空的密闭容器中进行。其中，没有要求被真空蒸镀的基板材料表面需要非常光滑平整洁净，使渗入面积与附着力达到一定的要求，以只要所镀金属制品的表面质量。

一种通过读取电压就将金属从其氧化物中还原系统利用金属冶炼的方法。熔盐电解的冶金机制一般认为有两种观点，一种观点如果说阴极氧化物直接被还原系统，氧离子化后按照熔盐扩撒到阳极放电;另一种观点是氧化物与熔盐在界面不可能发生钙热还原反应。无论是哪种机制，广泛的共识的是熔盐电解水初始时突然发生在氧化物表面，脱氢层慢慢的向固体内部生长增厚。

等离子体是指未知的时间和空间均最多某一临界值的电离气体，这些电离的气体是由电子、离子、分子或自由基等粒子混编的整数集体。溅射镀膜是借用气体放电有一种的荷能离子在电场作用下高速轰击阴极靶材，使靶材中的原子或分子逸出而沉积到基片或衬底的表面，连成所需要的薄膜。与民间的真空蒸镀法相比较，溅射镀膜更具很多优点，如膜层和基体的附着力强，可以方便地制取高熔点物质的薄膜，在很大的面积上也可以制取方法匀实的膜层，很难再控制薄膜的成份，这个可以分馏某些不同成份和配比的合金膜。

四、总结归纳

并且金属化去处理虽然相对紧张，可是其可解决活性钎焊中存在地的许多问题，如不能大面积并且焊处理和钎料难以挺好参与铺展等。当然了，金属化层也可以不保证陶瓷在高温钎焊中应该不会突然发生分解进而产生毫无生气，因为主动软钎焊法目前在市场上仍有非常好的应用。陶瓷金属化件也可以应用方法于多种领域，如电力电子领域、微波射频与微波通讯、新能源汽车邻域、IGBT领域、LED封装领域等。

半导体制造全流程及电子封装陶瓷基板如何进行表面修饰？

以氧化铝、氮化铝、碳化硼为主流的陶瓷基板是当下电子封装领域不可缺的基础材料，它们应是芯片和阻容元件的唤起体，利用导电和互连的功能，又是芯片的保护体，发挥着能够抵挡服役时环境应力冲击及湿热快速腐蚀的作用。其具有的与芯片热膨胀系数不兼容、耐高温、耐腐蚀、散热能力强、介电常数小、化学性质稳定、结构致密、绝缘性好、成本低廉、合适大规模生产等优点，在快速发展的高可靠电子封装领域有着进一步进阶适应性的潜力。

依据是什么生产工艺的不同，陶瓷基板有着众多种类，除开再键合铜陶瓷基板(DBC)、再金属电镀铜陶瓷基板(DPC)、高温共烧陶瓷基板(HTCC)、低温共烧陶瓷基板(LTCC)等。

目前，电子封装基板一般沉积化学性质稳定的贵金属Au来稍微修饰表面导体，通常按结构化学镀镍/浸金(ENIG)和化学镀镍/钯/浸金(ENEPIG)这两种工艺。

两种具体方法的基板表面镀金修饰技术

01

ENIG工艺

ENIG工艺是先在Cu焊盘上镀覆Ni，再通过置换反应在Ni层表面完成任务一层Au，强抗氧化性好、存储时间久、平整度高等优点，其工艺流程为：刷洗→酸洗→微蚀→活化功能→化学镀Ni→浸Au。

而焊盘基材是Cu，表面极易连成易导电的氧化膜，不但影响大导电性，不过利于化学镀Ni，是从清洗、磷化步骤正式一次性处理铜焊盘表面，增加表面一致性及润湿性；微蚀粗化铜表面利于增强提高强盗团Ni层的附着力，活化功能则不能形成本身催化自动还原作用的钯晶体层，再并且化学镀Ni到所需厚度；而在化学浸Au过程中，金属镍与溶液中的金离子发生氧化还原反应，Au完全改变部分Ni而沉积在Ni层表面，等他表层Ni彻底被Au逐渐。

高可靠器件一般具体的要求Ni层厚度大于051μm，替尽量减少焊接时直接出现“金脆”现象，另外焊盘的镀Au层往往压制得很薄（一般为0.03~0.15μm）。是为抵抗外界服役时间环境对金属导体的氧化和腐蚀，一些高可靠性的陶瓷管壳（如三维陶瓷基板）通常对不会暴露在环境中的金属区域采用较薄的Ni/Au镀层，甚至采用Ni/Au/Ni/Au多层体系，最大限度地提升到良好的防腐蚀效果和防底层金属扩散效果。然而镀层并非是越厚越好，需要保证化学镀Ni/Au后的线宽和线距都为0602μm，否则Ni会不可能发生相当严重交联。

02

ENEPIG工艺

在本案所涉ENIG工艺中，因此镀Au层很薄，会直接出现Ni底层在高温作用下沿着那条Au的晶界加速向Au层表面扩撒，氧化生成气体NiO而使焊盘变色的现象。替怎么克服ENIG工艺存在的黑焊盘问题，渐渐地反展出ENEPIG工艺，即化学镀镍/钯/浸金工艺，西安北方光电有限公司镍钯金工艺，其工艺流程为：擦洗→碱洗→微蚀→活化保护→化学镀Ni→可以清洗→化学镀Pd→彻底清洗→浸Au。

在ENEPIG工艺中，浸Au的置换反应由ENIG工艺中的Au取代Ni改变各种理由Au完全改变Pd，镀Pd工艺的原理与镀Ni工艺生僻。

与ENIG工艺相比较，ENEPIG工艺才是焊盘表面形容词性工艺具有以下诸多优势：

（1）省Au

在Ni和Au层之间再插入Pd层能够减少Au层的厚度，不单节约成本，能尽量避免厚Au焊盘给予的“金脆”问题，增加焊盘可焊性。同时，增大Pd层厚度可能提高焊盘的黑色物质润湿性，减小金属间化合物应力，能提高点焊可靠性和力学性能。

（2）如何防止Ni过氧化

ENIG工艺中的黑焊盘问题不容小觑，特别在高可靠大规模集成电路中，若基板手中掌握1000个不超过的高密度焊盘，就算是突然发生黑焊盘现象的概率较低，也会对所有的器件产生淬毒的影响。在Ni层表面镀Pd可以不尽量避免浸Au过程中镀液对Ni晶界的过氧化被侵蚀。

（3）阻拦Cu/Ni迁移

Pd充当额外的拦阻层，本身化学性质稳定，在400℃200元以内绝对无法被被氧化，化学镀Pd层匀实、结构致密，可抑制细胞Cu导体和Ni层向Au层表面的热扩散出来。在后续器件制造和服役过程中，在高温下都能够可以提供一个更稳定的界面。

02

ENEPIG工艺

在上述ENIG工艺中，的原因镀Au层很薄，会出现Ni底层在高温作用下沿著Au的晶界瞬间加速向Au层表面扩散了，氧化反应生成沉淀NiO而使焊盘变成白色的现象。为了心理暗示法ENIG工艺存在地的黑焊盘问题，渐渐地发展中出ENEPIG工艺，即化学镀镍/钯/浸金工艺，是由镍钯金工艺，其工艺流程为：彻底清洗→磷化→微蚀→活化历史→化学镀Ni→可以清洗→化学镀Pd→擦洗→浸Au。

在ENEPIG工艺中，浸Au的置换反应由ENIG工艺中的Au逐渐Ni变各种理由Au变成Pd，镀Pd工艺的原理与镀Ni工艺相近。

与ENIG工艺相比较，ENEPIG工艺作为焊盘表面修饰工艺具备以下诸多优势：

（1）省Au

在Ni和Au层彼此间插到Pd层也能减少Au层的厚度，不光节约成本，还能够尽量避免厚Au焊盘带来的“金脆”问题，提高焊盘可焊性。同时，会增大Pd层厚度可想提高焊盘的表面润湿性，越小金属间化合物应力，增强焊可靠性和力学性能。

（2）防止Ni过氧化反应

ENIG工艺中的黑焊盘问题不能轻视，更何况在高可靠大规模集成电路中，若基板手中掌握1000个以下的高密度焊盘，就算是再一次发生黑焊盘现象的概率较低，也会对半个器件出现致命的影响。在Ni层表面镀Pd可以尽量的避免浸Au过程中镀液对Ni晶界的过氧化侵入。

（3）阻住Cu/Ni迁移

Pd另外额外的抵挡层，本身化学性质稳定，在400℃200以内难以被被氧化，化学镀Pd层能均匀、致密坚硬，可抑制细胞Cu导体和Ni层向Au层表面的热扩撒。在现器件制造和服役过程中，在高温下能够提供给一个更稳定的界面。

系统的总结

需要贵金属Au来修饰修饰表面导体是行业内具体方法的提高金属化陶瓷基板可靠性的方法，而现在俩种工艺在完全控制不当时也仍会出现腐蚀现象：

（1）可能导致Ni/Au镀层腐蚀主要有Ni/Au扩散、杂质腐蚀等因素，提高镀Au层致密度，和减少Ni向焊盘表面扩散是抑制凝固的最根本途径。最有效手段包括优化系统打磨抛光碾磨技术、发展开发研制封孔剂、变更土地性质新的半置换半还原功能金技术及设计研发Ni基合金底层。

（2）Ni/Pd/Au镀层的腐蚀比较多由Au层缺陷、镀层剥离、有机无机污染等原因会造成。增强焊盘表面镀层品质，同时可以有效预防人为损伤，是避兔腐蚀性的最有效措施；实力提升基材表面活性，有利于提高底镀层与基材之间的增强强度，避免镀层剥离；有机污染的危害相对较小，一般增强擦洗即可。