近年來，隨著國內(nèi)航空航天、軍工、消費電子、新能源汽車、5G 等領(lǐng)域的快速發(fā)展，所需電子元器件內(nèi)電路的密度和功能不斷提高，人們對承載電子元件的封裝技術(shù)提出的要求也越來越高。當前存在的電子元器件封裝材料一般包括：陶瓷、塑料、金屬以及金屬基復(fù)合材料等，其中陶瓷材料因其密度較小，熱導(dǎo)率較高，膨脹系數(shù)匹配，是一種綜合性能較好的封裝材料。艾邦建有陶瓷封裝全產(chǎn)業(yè)鏈微信群，歡迎陶瓷封裝產(chǎn)業(yè)鏈上下游掃碼加群與我們交流。
陶瓷封裝材料按照其燒結(jié)溫度一般可以分為中、高溫陶瓷封裝材料和低溫陶瓷封裝材料。由表 1 對比可知：較低溫陶瓷封裝材料來說，中、高溫陶瓷封裝材料在熱性能/機械性能等方面具有更優(yōu)越的性能。陶瓷封裝對可靠性、氣密性、高頻傳輸性等性能需求，勢必涉及到陶瓷基板與金屬導(dǎo)體共燒技術(shù)的提升。對于高溫陶瓷封裝材料，工業(yè)上通常采用共燒金屬粉末（W/Mo/W-Cu/Mo-Mn 等）的方法來實現(xiàn)金屬與陶瓷的連接。
使用燒結(jié)助劑可以促進金屬與陶瓷的連接。多層陶瓷封裝外殼一般通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)和印刷填孔技術(shù)來實現(xiàn)金屬在陶瓷中的布線，進而滿足大規(guī)模集成電路封裝需求。為滿足導(dǎo)體漿料的印刷需求，導(dǎo)體漿料一般需要由導(dǎo)電相、填充相和粘結(jié)相組成。
1.導(dǎo)體漿料的不同導(dǎo)電相
在導(dǎo)體漿料中，導(dǎo)電相一般由相應(yīng)的金屬/金屬合金粉末組成，常見的高溫陶瓷封裝材料所對應(yīng)的導(dǎo)電相見表1。導(dǎo)電相燒結(jié)狀況的好壞直接影響了陶瓷外殼的電性能，并對陶瓷外殼表面金屬化膜的相關(guān)物理和機械性能起主要決定作用。
1.1 高溫陶瓷基板導(dǎo)體漿料導(dǎo)電相
高溫陶瓷基板材料包括但不限于 Al2O3、AlN 等，這二者是目前國內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的兩種陶瓷材料，通常使用 W/Mo 等金屬粉體作為其導(dǎo)體漿料的導(dǎo)電相。
1.1.1 鎢（W）
W 粉作為決定 W 導(dǎo)體漿料導(dǎo)電性能的主要因素，其粒度和形貌對導(dǎo)體漿料的印刷性能、燒結(jié)狀態(tài)和導(dǎo)電性能都有著重要影響：粒度過大，不易燒成；粒度過小，則存在過燒的風險；W 粉形貌不均勻，則其顆粒比表面積較大，配制的漿料粘度就會過大；W 粉的燒成狀態(tài)差，相應(yīng)的導(dǎo)電性能也會變差。研究人員們發(fā)現(xiàn)將 W 粉制備成粒度超細且高度均勻時，能有效的提升高溫陶瓷基板的金屬化質(zhì)量。
1.1.2 鉬（Mo）
?Mo 的熔融溫度和硬度均低于 W，這說明 Mo 粉 較 W 粉更容易整形，且使用 Mo 作為導(dǎo)體漿料的導(dǎo)電相可以有效降低高溫瓷金屬化的燒成溫度，這使得 Mo 金屬化在國內(nèi)外陶瓷封裝外殼生產(chǎn)企業(yè)（京瓷、NTK、中電 13 所、中電 55 所等）中占有重要位置。但 Mo 粉在生產(chǎn)、運輸、儲存和金屬化膏劑制備過程中易發(fā)生團聚現(xiàn)象，不耐化學(xué)腐蝕且在鍍鎳后易發(fā)生起泡現(xiàn)象等原因限制了 Mo 在高溫瓷金屬化中的大范圍應(yīng)用。研究人員們通過通過濕氫生產(chǎn) Mo 粉、濕磨工藝處理 Mo 粉、采取減小電流密度延長電鍍時間等方法，有效改善了? Mo 粉的形態(tài)，提高了應(yīng)用于 Al2O3 陶瓷時的封接強度，還有效抑制了 Mo 金屬化電鍍起泡現(xiàn)象。
1.2 中溫陶瓷基板導(dǎo)體漿料導(dǎo)電相
中溫陶瓷基板瓷斷裂韌性、氣密性、介電性能等參數(shù)較高溫瓷相當，但是由于其燒結(jié)溫度稍低，可以極大地節(jié)約生產(chǎn)成本，這使得中溫陶瓷基板材料具有很大的應(yīng)用前景。中溫陶瓷基板封裝材料在國外（日本京瓷等）已經(jīng)有了成熟的應(yīng)用，但是在國內(nèi)尚屬剛剛興起的一種陶瓷基板封裝材料。常用的一次燒結(jié)中溫瓷金屬化使用導(dǎo)體材料一般包括 W-Cu 和 Mo-Mn 等。
1.2.1 鎢銅（W-Cu）
當陶瓷的燒結(jié)溫度進一步下降時，W/Mo 等導(dǎo)電相已經(jīng)不能完成在該溫度下的燒結(jié)，此時 W-Cu 復(fù)合金屬粉體被引入到中溫陶瓷基板的金屬化匹配燒結(jié)中來。W-Cu 導(dǎo)體材料結(jié)合了 W 的高熔點（3410 ℃），高密度（19.32 g/cm3 ）、低熱膨脹系數(shù)（4.5×10.6 K）和 Cu 的高電導(dǎo)率（58.14 MS/ m）、高熱導(dǎo)率（403W/(m?K)），以及良好的延展性等優(yōu)點。長期以來，W-Cu 復(fù)合材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域是作為高壓及超高壓電器開關(guān)的觸頭材料，但當使用 W-Cu 材料和陶瓷基板共燒時，W-Cu 互不共融、Cu 易燒失的缺點就被暴露出來。向?qū)w漿料中加入微量的活化元素（銀、鈷、鐵、鋅、鈦等），通過降低 W 與 Cu 之間的潤濕角來改善 W-Cu 復(fù)合材料的燒結(jié)狀態(tài)，提升 W-Cu 復(fù)合材料的強度，有效抑制 Cu 的燒失。
1.2.2 鉬錳（Mo-Mn）
Mo-Mn 導(dǎo)電相作為陶瓷金屬化工藝中最早引入的一種導(dǎo)電相，其應(yīng)用于陶瓷基板材料的方法被稱為 Mo-Mn 法。La Forge 在 1956 年首先采用活化 Mo-Mn 法進行了金屬化實驗，并提出了活化 Mo-Mn 法的概念。其大概機理為：膏體中的 Mn 元素在燒結(jié)時一部分在濕氫條件下與水反應(yīng)生成 MnO2， MnO2 通過雙毛細管現(xiàn)象一方面促進陶瓷體內(nèi)的玻璃向金屬化空隙中移動，一方面與陶瓷反應(yīng)生成 MnAl2O4 等玻璃相，促進陶瓷與金屬的良好結(jié)合。Mo-Mn 法在國內(nèi)的應(yīng)用則開始較晚，一部分學(xué)者在國外進展的基礎(chǔ)上，進行了一系列的研究工作，后發(fā)現(xiàn) Mo 含量為 70wt% 時封接性能最佳。
2. 導(dǎo)體漿料中的填充相
導(dǎo)體漿料中的填充相是影響導(dǎo)體漿料印刷性能好壞的主要決定因素。一般通過考察一種填充相的黏度、觸變性、揮發(fā)速率、對環(huán)境（溫濕度等）的敏感性等性能來評價其印刷性能的好壞。不好的填充相會使印刷圖形在干燥后出現(xiàn)網(wǎng)紋、裂紋、針眼、陰影等影響良品率的缺陷。最基本的填充相是把非揮發(fā)性成分（增稠劑：乙基纖維素、PVA等）溶于部分有機溶劑（聚乙二醇、松節(jié)油等）后形成的用于承載導(dǎo)電相和粘結(jié)相的一類聚合物溶液。再通過輔助添加一部分流平劑、觸變劑、消泡劑等改善填充相的印刷性能后，可以生產(chǎn)出適用于封裝陶瓷的優(yōu)良導(dǎo)體漿料。研究人員們發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，黏度與纖維素含量成線性關(guān)系。當漿料的固體粉料含量一定時，增加纖維素含量可提高漿料黏度，以滿足細線印刷的要求。
3. 導(dǎo)體漿料中的粘結(jié)相
粘結(jié)相在中高溫導(dǎo)體漿料中主要起到粘接、增強和保護導(dǎo)電相的作用。優(yōu)良的粘結(jié)相還會對導(dǎo)電相的燒結(jié)起到促進效果。粘結(jié)相的熔點應(yīng)和陶瓷的燒結(jié)溫度相匹配，粘結(jié)相熔點過高/過低都會影響金屬化的燒結(jié)，降低金屬化的燒結(jié)強度，也不利于金屬化與陶瓷的結(jié)合。在降溫過程中，玻璃相留在導(dǎo)電相形成的海綿體內(nèi)，與導(dǎo)電相整體形成致密的金屬化層，在與金屬封接時達到真空氣密的作用。粘結(jié)相通常由玻璃粘結(jié)相、無玻璃粘結(jié)相或二者的混合物組合而成。
對于玻璃粘結(jié)相，一般由 SiO2 等氧化物構(gòu)成玻璃基本骨架，這類氧化物主要決定玻璃粘結(jié)相的機械性能和電性能，在此基礎(chǔ)上一般由 Al2O3/CaO、BaO、MgO、MnO2 等氧化物來調(diào)節(jié)玻璃的熱膨脹系數(shù)、機械強度、熱和化學(xué)穩(wěn)定性等；而加入 PbO、BaO、ZnO 等氧化物，則可以在保證玻璃的電性能和化學(xué)性能的同時降低玻璃的熔化溫度。無玻璃粘結(jié)相主要是通過氧化物與下方的陶瓷基片起化學(xué)反應(yīng)形成結(jié)合，這種粘結(jié)相一般為 Ca/Al/ Ba 等的氧化物，有時加入一些 Cr、Ni 等降低反應(yīng)溫度?；旌衔镎辰Y(jié)相就是將上述兩種玻璃型與無玻璃型相混合，發(fā)揮其各自的優(yōu)點。
4. 發(fā)展展望
1）對于高溫共燒陶瓷基板來說，在經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展后，國內(nèi)相應(yīng)的金屬化漿料技術(shù)已經(jīng)得到長足的發(fā)展，部分企業(yè)已經(jīng)能夠批量化生產(chǎn)相關(guān)的厚膜導(dǎo)體漿料。但是在金屬化的耐腐蝕、金屬化與陶瓷的結(jié)合性等方面還有提升空間。
2）對于中溫共燒陶瓷基板來說，其不輸于高溫陶瓷物理性能、低成本以及配合 W-Cu 漿料后優(yōu)越的導(dǎo)電性，在高頻高功率元器件的封裝上大有取代高溫陶瓷封裝外殼的趨勢。目前國內(nèi)已經(jīng)有用于厚膜導(dǎo)體漿料配制的商業(yè)化 W-Cu 粉末出售，相關(guān)的導(dǎo)體漿料需求會逐漸增加。
3）在國內(nèi)研究人員幾十年的不懈努力下，厚膜導(dǎo)體漿料填充相的研發(fā)取得了極大的發(fā)展。未來還需要在填充相的穩(wěn)定性、對于溫濕度的敏感性上進一步提升并擴大應(yīng)用。
文章來源：吳亞光,趙昱,劉林杰,張炳渠《中、高溫多層陶瓷基板共燒用導(dǎo)體漿料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢》
陶瓷封裝產(chǎn)業(yè)鏈從芯片、陶瓷封裝產(chǎn)品（陶瓷外殼、基板及覆銅板等）、封裝環(huán)節(jié)到最終封裝成型的電子產(chǎn)品，如光通信元件、汽車 ECU、激光雷達、圖像傳感器、功率半導(dǎo)體等；設(shè)備方面包括裝片機、固晶機、塑封機、鍵合機、檢測設(shè)備等；材料包括氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、金屬漿料、引線框架、包封材料、鍵合絲等；艾邦建有陶瓷封裝全產(chǎn)業(yè)鏈微信群，歡迎陶瓷封裝產(chǎn)業(yè)鏈上下游掃碼加群與我們交流。
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