中國(guó)粉體網(wǎng)訊 高溫共燒陶瓷 (HTCC)技術(shù)憑借其優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性、出色的氣密性及出色的高頻特性，已成為航空航天、5G通信等領(lǐng)域中高可靠性電子封裝的關(guān)鍵解決方案。然而，隨著功率器件熱流密度的持續(xù)增加，以及互連密度需求的不斷提升，傳統(tǒng)高溫共燒陶瓷在微孔精度、散熱效率和布線精細(xì)度等方面正面臨日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
高溫共燒陶瓷技術(shù)發(fā)展歷程
高溫共燒陶瓷技術(shù)起源于20世紀(jì)40年代，最初是為了滿足電容器小型化的需要。該技術(shù)發(fā)展主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：
▶1950年，美國(guó)無線電公司取得突破性研究進(jìn)展，提出多層陶瓷基板的核心工藝概念，包括精密電路設(shè)計(jì)、通孔形成及疊層共燒技術(shù)；
▶20世紀(jì)60~70年代，隨著IBM、富士通、摩托羅拉等公司的加入，高溫共燒陶瓷技術(shù)進(jìn)入高速發(fā)展期，這個(gè)階段主要是以Al2O3陶瓷作為主要介質(zhì)材料，搭配W、Mo等高熔點(diǎn)金屬導(dǎo)體，在約1600℃的還原氣氛中共燒成型，該技術(shù)憑借高機(jī)械強(qiáng)度、優(yōu)異化學(xué)穩(wěn)定性及氣密性成為電子封裝首選，但受限于高溫工藝，導(dǎo)體選擇范圍窄且導(dǎo)電性弱于金銀等材料；
▶20世紀(jì)80年代后，HTCC工藝逐步標(biāo)準(zhǔn)化：陶瓷生坯經(jīng)排膠處理后，在1500~1650℃下實(shí)現(xiàn)金屬-陶瓷共燒。日本企業(yè)在此階段主導(dǎo)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，Kyocera、Murata等廠商將高溫共燒陶瓷大規(guī)模應(yīng)用于航空航天與電子封裝領(lǐng)域，滿足極端環(huán)境下的可靠性需求；同期引入的AlN基板，因熱導(dǎo)率顯著優(yōu)于氧化鋁，進(jìn)一步拓展了高溫共燒陶瓷在功率半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用場(chǎng)景。
近20年來，我國(guó)高溫共燒陶瓷技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了從技術(shù)引進(jìn)到自主創(chuàng)新的跨越式發(fā)展，與國(guó)際先進(jìn)水平之間的差距顯著縮小。高溫共燒陶瓷的生產(chǎn)技術(shù)已逐步邁向穩(wěn)定化與標(biāo)準(zhǔn)化，并在部分核心指標(biāo)上取得突破性進(jìn)展：陶瓷層數(shù)已突破50層技術(shù)門檻，絲網(wǎng)印刷工藝線條精度達(dá)到45μm，實(shí)心孔孔徑實(shí)現(xiàn)50μm，層間對(duì)位精度25μm。
近年來不僅在原有的技術(shù)路線上持續(xù)推進(jìn)材料改進(jìn)與工藝革新，在新工藝路線、新結(jié)構(gòu)及新材料方面也開展了大量探索。
高溫共燒陶瓷，來源：艾森達(dá)
高溫共燒陶瓷的新技術(shù)突破
增材制造技術(shù)
休斯研究實(shí)驗(yàn)室（由波音與通用汽車聯(lián)合創(chuàng)立的前沿技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)）采用摩方microArch® S230高精度3D打印系統(tǒng)，成功制備出具有微米級(jí)通孔陣列的陶瓷中介層。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了通孔直徑9μm、間距18μm的突破性指標(biāo)，并通過創(chuàng)新的熔融滲透金屬化工藝，構(gòu)建了高密度互連的電氣通路。這項(xiàng)技術(shù)不僅攻克了傳統(tǒng)高溫共燒陶瓷的結(jié)構(gòu)限制，重新定義了微電子系統(tǒng)的集成模式，還顯著縮小了實(shí)心孔尺寸，通過3D打印技術(shù)重構(gòu)了微電子封裝的底層邏輯，為陶瓷封裝領(lǐng)域開辟了全新的技術(shù)路徑。
3D打印陶瓷中介層制造原理圖
但目前，3D打印技術(shù)在多層陶瓷基板應(yīng)用中存在一項(xiàng)挑戰(zhàn)，就是在多層陶瓷基板中有陶瓷體、內(nèi)部帶狀線、過孔和表層微帶線等使用了材料的元器件，制作時(shí)不僅要關(guān)注機(jī)械強(qiáng)度、外觀尺寸與精度，還需注意介電損耗、絕緣電阻、擊穿電壓等問題。因此，3D打印技術(shù)若想推廣在多層陶瓷基板應(yīng)用，除了提高3D打印的空間分辨率和速度之外，還需解決原材料、3D打印策略和燒成制度等方面的難題。
微流道復(fù)合結(jié)構(gòu)
隨著電子產(chǎn)品朝著小型化、多功能化和大功率方向發(fā)展，以及其集成度的持續(xù)提升，熱量集中釋放和熱流密度不斷上升的問題日益突出。確保電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，特別是高密度集成微系統(tǒng)的高效散熱，已成為亟需解決的關(guān)鍵課題。相比傳統(tǒng)散熱技術(shù)，微通道散熱器能夠直接集成于器件或系統(tǒng)基板中，具有工藝兼容性強(qiáng)、散熱路徑短、散熱效率高等優(yōu)勢(shì)，特別適合高密度集成微系統(tǒng)的熱管理。
高溫共燒陶瓷（HTCC）基板兼具良好力學(xué)強(qiáng)度和熱導(dǎo)性能，且可通過多層疊片、激光加工等方式實(shí)現(xiàn)復(fù)雜內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)，為嵌入式微通道冷卻提供了可能性。2024年，彭博等人提出了一種將微流道、布線與通孔集成一體的設(shè)計(jì)方案，并采用高溫共燒陶瓷傳統(tǒng)工藝成功制備出包含這三種結(jié)構(gòu)的陶瓷管殼。該工藝相較于僅加工微流道的傳統(tǒng)方法，新增了布線所需的印刷工序以及通孔的沖孔與填孔工序，并明確了各步驟的加工順序：先加工通孔，再進(jìn)行布線制作，最后完成微流道的加工。
集成微流道結(jié)構(gòu)的陶瓷管殼的正背面實(shí)物圖
厚膜光刻技術(shù)
隨著電子產(chǎn)品小型化進(jìn)程的不斷加速，對(duì)整機(jī)體積具有直接影響的電子元器件也日益迫切地需要實(shí)現(xiàn)更小尺寸。如何實(shí)現(xiàn)更小線寬與線距的制造，已成為電子元器件產(chǎn)業(yè)中極為關(guān)鍵的研究課題。在這一背景下，將高精度光刻技術(shù)引入原本精度較低的印刷厚膜工藝中，形成厚膜光刻技術(shù)，被公認(rèn)為是能夠兼容高溫?zé)Y(jié)金屬化方式、適合量產(chǎn)的工藝路線之一。
與傳統(tǒng)的厚膜工藝相比，厚膜光刻技術(shù)使圖案能夠形成更精細(xì)的分辨、更高精度和平整性，并且與薄膜相比，可以達(dá)到同樣的封裝密度水平。2013年，日本村田首次公開其自主研發(fā)的厚膜光刻技術(shù)（Thick film lithography）。該技術(shù)通過采用光敏性導(dǎo)電漿料，實(shí)現(xiàn)了LTCC多層陶瓷基板線寬/線距精度在30μm以下的高精度布線，并同步優(yōu)化了電路形貌結(jié)構(gòu)。針對(duì)工藝相配套的材料，東麗（TORAY ）已開發(fā)適用于厚膜光刻工藝的電子漿料產(chǎn)品，并且在不同的行業(yè)領(lǐng)域做了應(yīng)用。
感光金屬漿料在電子元件中的應(yīng)用，來源：東麗官網(wǎng)
“Thick Film Lithography”字面上直譯為“厚膜光刻”或“厚膜光蝕”。事實(shí)上，“厚膜光刻”技術(shù)雖未普及，目前主要應(yīng)用于業(yè)內(nèi)前沿產(chǎn)品，但也是業(yè)界熟知的工藝，早在上世紀(jì)末，該技術(shù)已有針對(duì)PDP的商業(yè)化應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外已開始相關(guān)研究。
小結(jié)
近年來，通過材料體系優(yōu)化與工藝創(chuàng)新，高溫共燒陶瓷在提升信號(hào)傳輸效率、降低熱膨脹系數(shù)（CTE）失配等方面取得了顯著進(jìn)展，進(jìn)一步拓展了其在毫米波射頻模塊和大功率半導(dǎo)體器件封裝中的應(yīng)用。新興技術(shù)展現(xiàn)出突破性的潛力，通過深度融合增材制造、微流道熱管理以及厚膜光刻等前沿技術(shù)，高溫共燒陶瓷有望在功率密度承載極限、高頻 (毫米波及太赫茲)性能上限以及系統(tǒng)集成度等方面實(shí)現(xiàn)重大突破。
來源：
王東生等：高溫共燒陶瓷的技術(shù)現(xiàn)狀及新進(jìn)展
星無限資本：厚膜光刻工藝淺析
陶瓷基板智造：多層陶瓷基板：共燒陶瓷技術(shù)與3D打印技術(shù)的碰撞
微納研究院：【半導(dǎo)體材料】揭秘高溫共燒陶瓷基板（HTCC）
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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