AIN多層陶瓷基板如何實(shí)現(xiàn)一體化封裝

 多層陶瓷基板憑借其靈活布線、三維集成等優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于航空航天、衛(wèi)星通訊等射頻領(lǐng)域。為了實(shí)現(xiàn)電子整機(jī)向高密度，小型化，輕量化的方向發(fā)展，越來越多的電路組件使用多層陶瓷基板封裝一體化封裝技術(shù)（integrated substrate package，ISP）以實(shí)現(xiàn)模塊化和器件化。AIN多層陶瓷基板是如何實(shí)現(xiàn)一體化封裝的呢？

一，為何要實(shí)現(xiàn)一體化封裝技術(shù)

AlN多層陶瓷相比較于低溫共燒陶瓷和Al2O3共燒陶瓷來說，其導(dǎo)熱系數(shù)高，熱膨脹系數(shù)與Si更接近。伴隨著電子設(shè)備的集成度大幅提高，電路中單位面積所散發(fā)的熱量不斷增大，系統(tǒng)對(duì)散熱要求也越來越高。

二，了解一下AlN一體化封裝工藝結(jié)構(gòu)

      1、AlN陶瓷基板制備流程

ALN多層陶瓷基板的制備流程與傳統(tǒng)低溫共燒陶瓷工藝流程基本一致，由于材料體系和成分的差別，個(gè)別工藝略有不同。本試驗(yàn)陶瓷材料采用厚度為0.13mm的高純氮化鋁膜帶，通孔金屬化漿料和印刷漿料均選擇高溫?zé)Y(jié)鎢漿，其中排膠過程需要在氮?dú)猸h(huán)境中進(jìn)行排膠；而燒結(jié)過程中則引入助燒劑以提高材料密度和熱導(dǎo)率，一般AlN燒結(jié)需要在還原氣氛下進(jìn)行；排膠和燒結(jié)是AlN多層陶瓷基板制備流程中的關(guān)鍵工序，影響著基板的翹曲、開裂等，直接決定了多層板的性能和質(zhì)量。陶瓷基板表面共燒的鎢漿無法直接進(jìn)行焊接、鍵合且極易氧化，需要在表層進(jìn)行化鍍鎳鈀金進(jìn)行后續(xù)裝配。

2，AlN陶瓷基板一體化封裝結(jié)構(gòu)

AlN多層陶瓷基板的一體化封裝主要由以下幾部分組成：AlN多層陶瓷基板，圍框和蓋板，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圍框一般采用焊接溫度較高的焊料與基板焊接，對(duì)于整體結(jié)構(gòu)而言，圍框材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)需要與基板熱膨脹系數(shù)接近，以防在焊接時(shí)熱應(yīng)力失配造成產(chǎn)品開裂。蓋板與圍框多采用平行縫焊的方式進(jìn)行氣密封裝。

三，AlN一體化封裝工藝路徑

       1、一體化封裝材料

2、圍框焊接及測試

框體采用釬焊方式與多層陶瓷基板形成封裝管殼，由于一體化管殼內(nèi)部器件使用錫鉛（熔點(diǎn)183℃）焊接，為了拉開溫度梯度，不影響后續(xù)裝配，本次試驗(yàn)采用Au80Sn20（熔點(diǎn)280℃）焊料作為圍框焊接焊料?？紤]到整體結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力匹配，框體材料選擇與AlN陶瓷基板熱膨脹系數(shù)較為接近的可伐（Kovar）材料。將圍框、Au80Sn20焊料、AlN多層陶瓷基板以及配套的焊接工裝夾具放入真空共晶爐進(jìn)行框體焊接。

釬焊曲線如圖2所示，主要分為快速升溫、保溫、升溫、釬焊和降溫五個(gè)階段，一個(gè)焊接周期持續(xù)約25min左右。快速升溫是由室溫快速升到220℃，該階段升溫速率約為40～50℃/min，然后在220℃下保溫0.5min。后續(xù)溫度由220℃緩慢上升至焊接溫度310℃，此階段升溫速率約20～30℃/min。釬焊是在焊接溫度下保持0.5min，焊接完成后進(jìn)行降溫處理。

3、氣密封焊及測試

一般對(duì)于金屬的氣密性封裝通常有平行縫焊、激光縫焊和釬焊等幾種封裝方式，該產(chǎn)品結(jié)合自身工藝條件以及結(jié)構(gòu)選擇平行縫焊作為蓋板的氣密封裝方式。

平行縫焊是通過連續(xù)電流脈沖產(chǎn)生的熱能集中在電極錐面與蓋板的兩個(gè)接觸點(diǎn)上，極高的熱能密度使這兩處蓋板與殼體的局部金屬體(柯伐合金)及其鍍層迅速加熱至約1500℃而熔合在一起。隨著電極在蓋板上的滾動(dòng)和持續(xù)電流脈沖的供給，在各接觸點(diǎn)區(qū)域形成部分重疊的熔斑，從而在蓋板的邊沿上得到連續(xù)致密鱗狀的焊縫，圖3為封蓋后的AlN多層陶瓷基板的一體化管殼。

氣密后的一體化管殼需要進(jìn)行相關(guān)的密封測試。根據(jù)GJB548B-2005（微電子器件試驗(yàn)方法和程序）中1014.2密封測試A1條件固定方法進(jìn)行測試。該管殼內(nèi)腔體積小于0.05cm³，使用壓氦平臺(tái)對(duì)密封管殼加壓到517KPa，保壓2h后氦質(zhì)譜檢漏儀測得其漏率為2.3×10-9（Pa?m3）/s，遠(yuǎn)小于規(guī)定中的拒收極限值5×10-9（Pa?m3）/s。后續(xù)將管殼按照試驗(yàn)條件C1進(jìn)行相關(guān)粗檢漏發(fā)現(xiàn)管殼無氣泡冒出，表明AlN多層陶瓷基板一體化管殼密封性滿足要求。

總結(jié)：AlN多層陶瓷基板既具備傳統(tǒng)多層陶瓷基板三維集成的優(yōu)勢，同時(shí)又具備優(yōu)越的散熱性能，既可以對(duì)電路熱量進(jìn)行快速耗散又可以有效提升封裝密度同時(shí)還可匹配半導(dǎo)體材料的熱膨脹系數(shù)。因此基于AlN多層陶瓷基板一體化封裝是超大功率模塊、大規(guī)模集成電路的理想封裝形式。本文提出的一體化封裝是將化鍍后的氮化鋁多層基板與圍框經(jīng)過釬焊形成管殼，最后利用平行封焊進(jìn)行氣密封裝，經(jīng)相關(guān)測試滿足使用要求。該一體化結(jié)構(gòu)合理，工藝成熟度高，氣密性好，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考資料：文章參考來源：AlN多層陶瓷基板一體化封裝 秦超，張偉，李富國，王穎麟 電子元器件與信息技術(shù) Vol.5 No.3 Mar. 2021