在集成电路（IC）元器件的封装领域，陶瓷封装以其卓越的气密性、热稳定性、电绝缘性和机械强度，成为了保护IC芯片、提升产品可靠性的重要手段。本文详细介绍了陶瓷封装工艺的技术奥秘与工艺流程，以供参考。
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一、什么是陶瓷封装？
陶瓷材料因其稳定的热、电、机械特性，成为了集成电路芯片封装的理想选择。通过调整化学成分和工艺控制，陶瓷材料的特性可以得到精确调控，不仅可作为封装的封盖材料，更是各种微电子产品不可或缺的承载基板。
陶瓷封装能够提供IC芯片气密性的密封保护，有效隔绝外部环境中的湿气、氧气和污染物，从而延长IC元器件的使用寿命，提高产品的可靠性。此外，陶瓷封装还具有优良的导热性能和机械强度，能够承受高温、高压等恶劣工作环境，确保IC元器件的稳定运行。
二、陶瓷封装的发展历程
陶瓷封装技术在单晶芯片集成电路封装中的应用历史悠久。从IBM开发的SLT（Solid Logic Technology）技术，到ASLT（Advanced Solid Logic Technology）、MST（Monolithic Systems Technology）、MC（Metalized Ceramic），再到如今的共烧多层陶瓷模块（Cofired Multilayer Ceramic Module, CMCM），陶瓷封装技术不断演进，为IC元器件的封装提供了更加多样化、高性能的解决方案。
随着半导体工艺技术的进步和产品功能的提升，IC芯片的集成度（IO）持续增加，封装引脚数目也随之增加。为了满足这一需求，各种形式的陶瓷封装应运而生，如陶瓷引脚式或无引脚晶粒承载器（CLCC）、针格式封装（PGA）、四边扁平封装（QFP）等。这些封装形式不仅提高了IC元器件的引脚密度和封装效率，还进一步提升了产品的可靠性和稳定性。
三、陶瓷封装工艺流程详解
陶瓷封装工艺流程复杂而精细，主要包括生胚片制作、冲片、导孔成型、厚膜导线成型、叠压、烧结、表层电镀、引脚接合与测试等关键步骤。以下为氧化铝陶瓷封装流程。
生胚片制作
将陶瓷粉末、黏着剂、塑化剂和有机溶剂等均匀混合后制成浆料，通过刮刀成型机刮制成厚度均匀的薄带。这一步骤中，刮刀间隙、输送带速度、干燥温度等因素对生胚片的厚度和均匀性具有重要影响。
陶瓷粉末、黏合剂、塑化剂和有机溶剂等原料经过均匀混合后，形成类似油漆的浆料，这种浆料通常采用刮刀成型技术制成生胚片。在刮刀成型过程中，一个可调整高度的刮刀被设置在浆料容器的出口处，它会随着多元酯输送带移动的浆料刮制成厚度均匀的薄带。同时，滤净的热空气会逆着输送带的运动方向吹过生胚片的表面，使其缓慢干燥，随后将干燥的生胚片卷起并切割成适当宽度的薄带。在烧结前，生胚片的厚度通常在0.2至0.28毫米之间。
冲片
将生胚片以精密模具切成适当尺寸的薄片，并在四边冲出对位孔以供叠合时对齐使用。
导孔成型
通过机械式冲孔、钻孔或激光钻孔等方法，在生胚片上冲出大小适当的导孔以供垂直方向的导通。导孔的直径通常在125至200微米之间，现有技术也能制成80至100微米的导孔。导孔成型可以通过机械式冲孔、钻孔或激光钻孔等方法完成，其中二氧化碳激光钻孔是一种较新颖的方法，其速率为每秒50至100个导孔。
厚膜导线成型
采用厚膜网印技术在生胚片上印上电路布线图形及填充导孔。
叠压
如需制作多层的陶瓷基板，则需要将完成厚膜金属化的生胚片进行叠压。将完成厚膜金属化的生胚片按照设计要求叠压成多层连线结构。叠压过程中施予的压力会影响生胚片原有孔洞分布和烧结时薄片的收缩率。通常，收缩率随压力的增加而减小，因此叠压工艺的条件以收缩率的大小尺寸为依据。叠压后的多层生胚片有时需要切割成适当尺寸后再进行烧结。
烧结
将叠压后的多层生胚片在高温下烧结成致密、坚固的结构。烧结过程中需要精确控制炉内气氛、升温速度和保温时间等因素，以确保陶瓷基板和厚膜金属的良好结合。在烧结过程中，生胚片的收缩是必然现象，对烧结成品的尺寸有很大影响。陶瓷材料与金属膏材的收缩率是否相近、使用的陶瓷与金属的热膨胀系数是否相近以及炉体内温度分布是否均匀等因素均会影响烧结成品的尺寸。除了生胚片横向尺寸的变化外，曲翘也是烧结过程中常发生的现象，因此需要在烧结过程中用重物压住生胚片以防止其变形。
表层电镀与引脚接合
在烧结后的基板表层制作电路、金属键合点或电阻等，以供IC封装元器件及其他电路元器件的连线接合。基板镍电镀完成后，表层已镀有钯与金的科瓦铁镍钴合金（Kovar）引脚再以金锡或铜银共晶硬焊的技术将引脚与基板焊接在一起。通常将焊料置于引脚与金属键合焊垫之间，在还原气氛中加热至共晶温度以上完成焊接。如果焊接完成的引脚需要以焊接方式与下一层次的封装焊接在一起，则表面通常还会再以沉浸法镀上焊锡。
四、陶瓷封装的技术挑战与未来展望
尽管陶瓷封装具有诸多优点，但其工艺温度较高、成本较高、工艺自动化与薄型化封装能力逊于塑料封装等缺点仍不容忽视。此外，陶瓷材料具有较高的脆性，易导致应力损害；在需要低介电常数与高连线密度的封装中，陶瓷封装还需与薄膜封装进行竞争。因此，需要改进陶瓷粉末的制备工艺和烧结技术，降低陶瓷封装的工艺温度和成本；引入先进的自动化设备和工艺优化，提高陶瓷封装的工艺自动化水平和薄型化能力；开发新型的低脆性陶瓷材料和增强结构设计，提高陶瓷封装的抗应力损害能力。
