當(dāng)前，隨著微電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)陶瓷材料有了更高的需求。高溫共燒陶瓷（HTCC），采用材料為鎢、鉬、鉬、錳等高熔點(diǎn)金屬發(fā)熱電阻漿料按照發(fā)熱電路設(shè)計(jì)的要求印刷于92～96％的氧化鋁流延陶瓷生坯上，4～8％的燒結(jié)助劑然后多層疊合，在1500～1600℃下高溫下共燒成一體。

HTCC技術(shù)可實(shí)現(xiàn)密封的直通過(guò)孔密集的金屬互連。因此HTCC技術(shù)常用于軍事、航空航天、醫(yī)療器械、和高溫領(lǐng)域，特別是在汽車、高功率、無(wú)線通信和RF封裝方面。

PART1HTCC的分類

HTCC材料是在高于1500℃的環(huán)境下燒結(jié)而成。由于HTCC材料的熱穩(wěn)定性良好，因此它非常適合在超高溫環(huán)境下的應(yīng)用，在大功率微組裝電路中具有廣泛的應(yīng)用前景。

高溫共燒陶瓷中較為重要的是以氧化鋁、莫來(lái)石（主體為Al2O3-SiO2）和氮化鋁為主要成分的陶瓷。常見(jiàn)的HTCC生瓷帶有氧化鋁陶瓷、氮化鋁陶瓷以及氧化鋯陶瓷等，采用流延法制備的生瓷帶厚度一般為50μm到700μm不等。

① 氧化鋁

在燒結(jié)過(guò)程中，陶瓷顆粒相變?yōu)橹旅懿牧希瑯悠反蠹s收縮15%到20%不等。其中，在超高溫領(lǐng)域中，99.99%氧化鋁高溫共燒陶瓷的應(yīng)用最為廣泛，HTCC氧化鋁生瓷帶的一些基本材料特性參數(shù)如下表所示。

生瓷坯在進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)的過(guò)程中往往會(huì)有一定的收縮比例，其收縮比例大約在15%-20%之間，為了使本論文設(shè)計(jì)的傳感器達(dá)到設(shè)計(jì)要求以及性能要求，在燒結(jié)前，必須給生瓷坯按照收縮比來(lái)計(jì)算尺寸，防止其最終產(chǎn)品達(dá)不到要求。

氧化鋁陶瓷技術(shù)是一種比較成熟的微電子封裝技術(shù)，它由92～96%氧化鋁，外加4～8%的燒結(jié)助劑在1500-1700℃下燒結(jié)而成，其導(dǎo)線材料為鎢、鉬、鉬一錳等難熔金屬。該基板技術(shù)成熟，介質(zhì)材料成本低，熱導(dǎo)率和抗彎強(qiáng)度較高。

但氧化鋁多層陶瓷基板的介電常數(shù)高，影響信號(hào)傳輸速度的提高；導(dǎo)體電阻率高，信號(hào)傳輸損耗較大；熱膨脹系數(shù)與硅相差較大，從而限制了它在巨型計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用。

② 莫來(lái)石

莫來(lái)石的介電常數(shù)為7.3-7.5，而氧化鋁(96%)的介電常數(shù)為9.4，高于莫來(lái)石，所以莫來(lái)石的信號(hào)傳輸延遲時(shí)間可比氧化鋁小17%左右，并且，莫來(lái)石的熱膨脹系數(shù)與硅很接近，所以這種基板材料得到了快速發(fā)展。

例如日立、Shinko等公司均開(kāi)發(fā)了莫來(lái)石多層陶瓷基板，并且其產(chǎn)品具有良好的性能指標(biāo)。不過(guò)此基板的布線導(dǎo)體只能采用鎢、鎳、鉬等，電阻率較大而且熱導(dǎo)率低于氧化鋁基板。

③ 氮化鋁

對(duì)于氮化鋁基板來(lái)說(shuō)，由于氮化鋁熱導(dǎo)率高，熱膨脹系數(shù)與Si、SiC和GaAs等半導(dǎo)體材料相匹配，其介電常數(shù)和介質(zhì)損耗均優(yōu)于氧化鋁，并且AlN是較硬的陶瓷，在嚴(yán)酷的環(huán)境條件下仍能很好地工作。

比如在高溫時(shí)AlN陶瓷依然具有極好的穩(wěn)定性，因此，氮化鋁用作多層基板材料，在國(guó)內(nèi)外都得到了廣泛研究并已經(jīng)取得令人矚目的進(jìn)展。但氮化鋁基板也有一定的缺點(diǎn):

● 布線導(dǎo)體電阻率高，信號(hào)傳輸損耗較大；

● 燒結(jié)溫度高，能耗較大；

● 介電常數(shù)與低溫共燒陶瓷介質(zhì)材料相比還較高；

● 氮化鋁基板與鎢、鉬等導(dǎo)體共燒后，其熱導(dǎo)率有所下降；

● 絲網(wǎng)印刷的電阻器及其他無(wú)源元件不能并入高溫共燒工藝，因?yàn)檫@些無(wú)源元件的漿料中的金屬氧化物，會(huì)在該工藝的還原氣氛下反應(yīng)而使性能變壞；

● 外層導(dǎo)體必須鍍鎳鍍金保護(hù)其不被氧化，同時(shí)增加表面的電導(dǎo)率并提供能夠進(jìn)行線焊和錫焊元器件貼裝的金屬化層。

雖然有這些缺點(diǎn)，但從總體上來(lái)說(shuō)，氮化鋁基板比其他高溫共燒陶瓷基板有更多的優(yōu)勢(shì)，在高溫共燒陶瓷領(lǐng)域有很好的發(fā)展前途。主要應(yīng)用在傳感器封裝、表面貼裝封裝、MEMS封裝、光通信封裝、LED封裝等。

PART2HTCC的應(yīng)用

HTCC陶瓷發(fā)熱片是一種新型高效環(huán)保節(jié)能陶瓷發(fā)熱元件，相比PTC陶瓷發(fā)熱體，具有相同加熱效果情況下節(jié)約20～30%電能。

整體而言，HTCC基板具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率高、化學(xué)穩(wěn)定性好和布線密度高等優(yōu)點(diǎn)，因此在當(dāng)前大功率微組裝電路中具有廣泛的應(yīng)用前景。被廣泛應(yīng)用于日常生活、工農(nóng)業(yè)技術(shù)、軍事、科學(xué)、通訊、醫(yī)療、環(huán)保、宇航等眾多領(lǐng)域。

PART3HTCC的發(fā)展

HTCC作為一種新型的高導(dǎo)熱基板和封裝材料，具有高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)、低介電常數(shù)和低介質(zhì)損耗、高機(jī)械強(qiáng)度等特點(diǎn)。因此它可以實(shí)現(xiàn)電性能、熱性能和機(jī)械性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠滿足器件、模塊和組件的高功、高密度、小型化和高可靠要求。

但是，高溫共燒陶瓷(HTCC)電路互連基板中，W、Mo的電阻率較高，電路損耗較大。隨著超大規(guī)模集成電路的應(yīng)用頻率和電路速度提升，電子設(shè)備的小型化等趨勢(shì)對(duì)高密度封裝提出更高要求。

而且，HTCC的陶瓷粉末并無(wú)加入玻璃材質(zhì)，HTCC必須在高溫1300~1600℃環(huán)境下干燥硬化成生胚，接著鉆上導(dǎo)通孔，以網(wǎng)版印刷技術(shù)填孔與印制線路，因其共燒溫度較高，使得金屬導(dǎo)體材料的選擇受限，而且會(huì)大大增加其成本。因此，低溫共燒陶瓷(LTCC)應(yīng)運(yùn)而生。

審核編輯：郭婷