الركيزة السيراميكية هي نوع خاص من الألواح المصنوعة عن طريق ربط رقائق النحاس مباشرة بسطح أكسيد أو لوح سيراميك عند درجة حرارة عالية. يتم ربط النحاس بالسيراميك من خلال عملية درجة حرارة عالية بحيث يشكل المعدن والسيراميك قاعدة ثابتة للدوائر.
a. لها قوة ميكانيكية عالية. يمكنها حمل الأجزاء وتعمل أيضاً كهياكل داعمة.
b. يسهل تشغيلها آلياً. تحتفظ بأبعاد دقيقة. يمكن تصنيعها في عدة طبقات.
c. سطحها أملس. لا تلتوي أو تنحني أو تظهر عليها شقوق صغيرة.
a. لديها مقاومة عزل عالية وجهد انهيار عالٍ. وهذا يحافظ على سلامة الدوائر من التقصير ومن تلف الجهد العالي.
b. لديها ثابت عازل كهربائي منخفض وفقدان عازل كهربائي منخفض. وهذا يساعد على تمرير الإشارات بفقد أقل.
c. يبقى أداؤها مستقرًا في درجات الحرارة العالية والرطوبة العالية. وهذا يساعد على ضمان الموثوقية في ظروف الاستخدام الصعبة.
a. لديها موصلية حرارية عالية. وهذا يساعد على نقل الحرارة بعيدًا عن الأجزاء الساخنة.
b. يمكن أن يتطابق معامل تمددها الحراري مع المواد ذات الصلة، وخاصة السيليكون. يقلل هذا التطابق من الإجهاد عند تسخين الأجزاء وتبريدها.
c. تتمتع بمقاومة جيدة للحرارة. تظل مستقرة في درجات الحرارة العالية.
a. مستقرة كيميائياً. يسهل تمعدنها. تلتصق بها أنماط الدوائر بشكل جيد.
b. لا تمتص الرطوبة. تقاوم الزيت والهجوم الكيميائي. تطلق القليل من الإشعاع.
c. المواد المستخدمة غير ضارة وغير سامة. لا يتغير تركيبها البلوري في نطاق درجة حرارة العمل.
d. المواد الخام وفيرة. التكنولوجيا ناضجة. وهي سهلة الصنع وسعرها منخفض.
قبل إطلاق السيراميك، هناك أربع طرق تشكيل شائعة قبل التشكيل. وهي كبس المسحوق (الذي يمكن أن يكون كبس القالب أو الكبس المتساوي الضغط)، والبثق، وصب الشريط، والقولبة بالحقن. من بين هذه الطرق، غالبًا ما يتم استخدام صب الشريط في السنوات الأخيرة لحزم LSI وركائز الدوائر الهجينة لأنه من الأسهل صنع العديد من الطبقات ولديه كفاءة إنتاج أعلى.
مسارات العملية الشائعة هي هذه الثلاثة:
- تكديس الطبقات - الكبس الساخن - إزالة الغلاف - إطلاق اللوح الأساسي - تشكيل أنماط الدائرة - إطلاق الدائرة.
- تكديس الطبقات - طباعة نمط الدائرة على السطح - الكبس الساخن - إزالة الغلاف - إطلاق النار المشترك.
- طباعة نمط الدائرة الكهربائية - الرص - الكبس الساخن - إزالة الغلاف - الإشعال المشترك.
في طريقة الغشاء السميك، يتم تشكيل الموصلات (آثار الدائرة) والمقاومات على السيراميك عن طريق طباعة الشاشة. بعد الطباعة، يتم تلبيد الأجزاء لتشكيل الدائرة الكهربية ووسادات التلامس. تشمل المواد اللاصقة المستخدمة لتثبيت المعدن المطبوع نوع الزجاج ونوع الأكسيد وأنواع الأكسيد الزجاجي والأكسيد المختلط.
تستخدم الأغشية الرقيقة طرق تفريغ الهواء مثل التبخير أو الطلاء بالأيونات أو الرش لتطبيق المعدن. ولأن الغشاء الرقيق يرسب المعدن من المرحلة الغازية، يمكن من حيث المبدأ ترسيب أي معدن. كما يمكن من حيث المبدأ تمعدن أي ركيزة بهذه الطريقة. ولكن يجب أن يتطابق التمدد الحراري للفيلم المعدني والركيزة الخزفية قدر الإمكان. ومن المهم أيضًا زيادة التصاق الطبقة المعدنية بالسيراميك.
قبل الحرق، تُطبع معاجين معدنية حرارية من المونيوم والوايت والمعادن المماثلة على صفائح السيراميك غير المحروقة. ثم يتم بعد ذلك إزالة الرقائق وحرقها بحيث يشكّل السيراميك والمعدن بنية واحدة متكاملة. تتميز هذه الطريقة بهذه الميزات:
■ يمكن أن تشكل خطوط دارة دقيقة للغاية ومن السهل صنع العديد من الطبقات، لذا فإن الأسلاك عالية الكثافة ممكنة.
■ نظرًا لتكوين العازل والموصل معًا، فإن الختم المحكم في العبوات ممكن.
■ باختيار التركيبة الصحيحة وضغط التشكيل ودرجة حرارة التلبيد المناسبة، يمكن التحكم في انكماش التلبيد. خاصةً عندما يتم تصنيع ركيزة ذات انكماش صفري في المستوى، وهذا يفتح المجال لاستخدامها في BGA وCSP والتغليف عالي الكثافة للرقاقة العارية.
a. مادة خام: Al₂O₃O₃ غالبًا ما يتم تصنيعها بواسطة
عملية باير. في هذه الطريقة، تكون المادة الخام هي البوكسيت الذي يتضمن أكاسيد الألومنيوم المطفأ والمركبات ذات الصلة.
b. الصنع: عادةً ما يتم تشكيل سيراميك Al₂O₃O₃ من خلال تكديس صفائح غير مشتعلة. وغالبًا ما يتم استخدام مادة رابطة مثل البولي فينيل بوتيرال (PVB). وتختلف درجة حرارة الحرق مع إضافة مساعدات التلبيد، وعادةً ما تكون 1550-1600 درجة مئوية. وتتمثل طرق معدنة الأل₂O₃O↩O₃ بشكل أساسي في طرق الحرق المشترك والأغشية السميكة. وتعتبر المعاجين وتكنولوجيا المعالجة ناضجة. وهي تلبي العديد من احتياجات التطبيق اليوم.
c. التطبيقات: ركائز للدوائر المتكاملة الهجينة، وركائز حزم الدوائر المتكاملة الهجينة، وركائز الدوائر متعددة الطبقات.
الموليت هو أحد أكثر الأطوار البلورية استقرارًا في نظام Al₂O₃-SiO₂. بالمقارنة مع Al₂O₃O₃، يتميز الموليت بقوة ميكانيكية أقل قليلاً وموصلية حرارية أقل، ولكن ثابت العزل الكهربائي الخاص به أقل. يمكن أن يساعد ثابت العزل الكهربائي المنخفض هذا في تحسين سرعة الإشارة. كما أن معامل التمدد الحراري الخاص به منخفض، مما يقلل من الضغط الحراري على LSI المركب. كما أن فرق التمدد مع المعادن الموصلة مثل Mo وW أصغر، لذا فإن الحرق المشترك يسبب ضغطًا أقل بين المعدن والسيراميك.
a. المادة الخام: ألن ليس معدنًا طبيعيًا. إنها مادة من صنع الإنسان تم تصنيعها لأول مرة في القرن التاسع عشر. تُصنع مساحيق AlN النموذجية عن طريق الاختزال بالنتريد الاختزالي أو النتريد المباشر. وتبدأ طريقة الاختزال بالنتريد الاختزالي من Al₂O₃O₃ وتستخدم الكربون عالي النقاء لاختزاله، ثم يتفاعل مع النيتروجين لتكوين Al₂N. أما طريقة النتريد المباشر فتتفاعل مسحوق الألومنيوم مع N₂ لتكوين AlN مباشرةً.
b. الصنع: يمكن استخدام نفس طرق التشكيل المستخدمة لركائز Al₂O₃O₃ لـ Al₂N. والطريقة الأكثر استخدامًا هي تكديس الصفائح غير المشتعلة. لهذا الغرض، يتم خلط مسحوق AlN، والمواد العضوية الرابطة والمذيبات والمادة الخافضة للتوتر السطحي لصنع ملاط خزفي. يتم صب الملاط على شريط لاصق، وتكديسه، وضغطه على الساخن، وإزالة الرغوة منه، ثم حرقه لصنع ركيزة AlN.
c. ميزات الركيزة AlN: يتميز AlN بتوصيل حراري يزيد عن عشرة أضعاف توصيل Al₂O₃O₃. يتطابق معامل تمددها الحراري (CTE) مع السيليكون. بالمقارنة مع Al₂O₃، تتمتع AlN بمقاومة عزل أعلى وجهد انهيار أعلى. ثابت العزل الكهربائي أقل. هذه الميزات تجعل من AlN قيمة للغاية بالنسبة لركائز الحزمة.
d. التطبيقات: تُستخدم لوحدات مضخمات الطاقة ذات النطاق الترددي العالي جداً، والأجهزة عالية الطاقة، وركائز الصمام الثنائي الليزري.
a. Raw material: SiC is not a natural mineral. It is made by mixing silica, coke, and a little salt as powders. The mix is heated in a graphite furnace above 2000°C to react and form α-SiC. Then SiC can be purified by sublimation to get a dark green block of polycrystalline material.
b. Making: SiC has very high chemical and thermal stability, so normal firing methods make it hard to densify. Sintering aids and special firing methods are needed. Vacuum hot pressing is commonly used.
c. SiC features: A key feature is its very large thermal diffusion coefficient. It can even be larger than copper. Its thermal expansion is closer to silicon. But SiC has some downsides. Its dielectric constant is relatively high and its breakdown voltage is not as good as some other ceramics.
d. Applications: SiC substrates are used where high heat spreading is needed and voltage is not high. They are used for VLSI heat-sinking packages, high speed and high integration logic LSI with heat sinks, large computers, and laser diode substrates for optical communications.
BeO has thermal conductivity many times that of Al₂O₃. It works well for high power circuits. Its dielectric constant is low, so it is suitable for high frequency circuits. BeO substrates are usually made by dry pressing. They can also be made by the unfired sheet route with small additions of MgO or Al₂O₃. Because BeO powder is toxic, BeO products raise environmental and health concerns. In Japan BeO substrate production is not allowed and BeO must be imported from places like the United States.
From structure and making methods, ceramic substrates can be grouped into HTCC, LTCC, TFC, DBC, DPC, and so on. Ceramic substrates are used more and more in electronic packaging and in power electronics like IGBT (insulated gate bipolar transistor), LD (laser diode), high power LED, and CPV (concentrator photovoltaic) because of their good thermal conductivity, heat resistance, insulation, low thermal expansion, and falling cost.
Common ceramic base materials are BeO, Al₂O₃, AlN, and Si₃N₄. Among these, Si₃N₄ has very high electrical insulation and chemical stability. It also has good thermal stability and high mechanical strength. It can be used for high density and high integration circuit boards.
HTCC is high temperature co-fired ceramic substrate. To make HTCC, first ceramic powder such as Al₂O₃ or AlN is mixed with an organic binder. The mix is made into a paste and then formed into sheets by doctor blade or similar methods. The dried sheets become green bodies. Holes for vias are drilled and conductor pastes are screen printed for wiring and via filling. Then the green sheets are stacked and placed into a high temperature furnace around 1600°C for sintering. Because the sintering temperature is high, the choice of conductor metals is limited. Metals with high melting points but lower conductivity are used, such as tungsten, molybdenum, and manganese. The cost is high and thermal conductivity ranges roughly 20–200 W/(m·°C).
LTCC is low temperature co-fired ceramic. Its making steps are similar to HTCC. The difference is that the Al₂O₃ powder includes 30–50% by mass of low melting point glass. This lowers the firing temperature to about 850–900°C. Because the firing temperature is low, conductive metals with good conductivity like gold and silver can be used for electrodes and traces. LTCC uses screen printing for metal lines. This method can have alignment errors because of mesh stretch. Also when multilayers are stacked and co-fired, different shrinkage can occur and that hurts yield. To raise LTCC thermal conductivity, thermal vias or conductive vias can be added in the component areas, but that raises cost.
Compared to LTCC and HTCC, TFC is a post-fired ceramic substrate. It uses screen printing to apply metal pastes on the ceramic base surface. After drying, the part is fired at high temperature (700–800°C). Metal pastes are made of metal powder, organic resin, and glass. After firing, the resin burns off and the layer left is mostly metal bound by a glassy adhesive on the ceramic surface. The fired metal layer thickness is typically 10–20 μm and the minimum line width is about 0.3 mm. Because the technology is mature, the process is simple and cost is low, TFC is used where pattern precision needs are not high.
DBC is made by co-sintering or eutectic bonding copper foil to a ceramic sheet at high temperature (about 1065°C). After bonding, circuit patterns are formed by etching. Because copper foil has good electrical and thermal conduction and Al₂O₃ can control the expansion of the Cu–Al₂O₃–Cu composite, the DBC has a thermal expansion close to that of alumina. DBC has good thermal conduction, strong insulation, and high reliability. It is widely used in IGBT, laser diode, and CPV packaging. DBC has drawbacks. The high temperature eutectic reaction between Cu and Al₂O₃ needs strict control of equipment and process, so cost is higher. Micro-pores can form between Al₂O₃ and Cu, lowering thermal shock resistance. Copper foil can warp at high temperature, so the copper thickness on DBC is usually more than 100 μm. Also etching is used to form patterns, so minimum line width is generally more than 100 μm.
DPC starts with cleaning and pretreating the ceramic sheet. Then a Ti/Cu seed layer is deposited by vacuum sputtering on the substrate surface. Photolithography, development, and etching are used to form the circuit pattern. Then electroplating or chemical plating is used to grow the circuit thickness. After removing the photoresist the substrate is complete. DPC has these advantages: low temperature process (below 300°C), so it avoids the drawbacks of high temperature to materials and circuits and lowers manufacturing cost. Using thin film and photolithography makes the metal lines on the substrate finer. So DPC is well suited for packages that need high alignment accuracy. But DPC has downsides too. The electroplated copper thickness is limited, and electroplating waste liquid can cause pollution. The adhesion between metal layer and ceramic is lower, so the product reliability may be less.
When choosing a ceramic substrate, match the material to the application needs. If you need high thermal conductivity and a thermal expansion close to silicon, AlN or SiC may be best. If cost and mature processing matter, Al₂O₃ is a solid choice. If you need fine lines and low temperature processing, DPC and LTCC can work. If you need high density multilayer wiring and hermetic sealing, co-fired routes like LTCC or HTCC with co-sintered metal may be right.
Common application areas include power modules, RF power amplifiers, laser diode modules, high power LEDs, and high density LSI packaging. Power electronics gain from ceramic substrates because they move heat well and keep insulation and mechanical strength under thermal stress. RF devices gain from low dielectric loss and stable dielectric properties. High density packaging gains from the ability to make fine lines and to stack many layers with good alignment control if the process is suitable.
Every ceramic type and every process has tradeoffs. HTCC uses high firing temperature and so uses refractory metals for conductors. This limits conductivity and raises cost, but HTCC can be very robust at high temperature. LTCC lowers firing temperature by adding glass so better conductors can be used, but LTCC can have shrinkage issues and alignment trouble in multilayers. TFC is cheap and simple, but it cannot give very fine patterns. DBC gives excellent heat spread with thick copper, but its patterning limit and manufacturing cost can be issues. DPC allows fine patterning and low temperature processing, but adhesion and waste control need care.
Co-firing means printing metal pastes on the green ceramic and firing everything together. This can make very small features and true multilayer wiring. It also lets the ceramic and metal become one integrated body, which helps hermetic sealing. But co-firing needs careful control of materials to match shrinkage and sintering. Post-firing metallization, like thick film or thin film on fired ceramic, avoids co-sintering shrinkage issues. It can be easier for single layer or simple double layer needs. But post-fired methods may not reach the same wiring density and may have different adhesion or thermal properties.
- For co-fired multilayer substrate: make ceramic slurry, tape cast, drill vias in green tape, print conductor pastes by screen, stack tapes, press and debind, and then fire. After firing, do final processing like pad metallization and circuit etching if needed.
- For thick film on ceramic: use fired ceramic substrate, screen print conductor and resistor pastes, fire at 700–800°C, then trim resistors and add final metal pads.
- For DPC: clean ceramic, deposit Ti/Cu seed by sputter, pattern photoresist, etch seed to make pattern, electroplate to grow copper, strip resist, and final clean.
Ceramic PCB are a class of substrate materials that give unique strengths for electronic packaging. They offer good thermal paths, stable electrical behavior at temperature, and good mechanical strength. Different ceramic choices and different metallization routes let designers balance cost, thermal performance, electrical performance, and fine line pattern needs. Because of this, ceramic substrates are widely used in power electronics, RF modules, laser and diode packages, high power LEDs, and many high density packaging fields.
