隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子設(shè)備小型化和集成化趨勢愈來愈明顯，同時(shí)工作頻率和功率密度也顯著增加，給電子系統(tǒng)的熱管理帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。封裝基板作為半導(dǎo)體器件中的重要組成部分，除了能夠搭載芯片、并為芯片提供電連接、保護(hù)，還起著連接內(nèi)外散熱通道的關(guān)鍵作用。常用的電子封裝基板材料主要有三大類：塑料、金屬及金屬基復(fù)合材料和陶瓷，其中氧化鋁 (Al₂O₃)、氮化鋁 (AlN)、氮化硅 (Si₃N₄)等陶瓷材料具有良好的導(dǎo)熱性、耐熱性、高絕緣、高強(qiáng)度、低熱脹、耐腐蝕和抗輻射等優(yōu)點(diǎn)，在功率器件和高溫電子器件封裝中應(yīng)用優(yōu)勢明顯。

不過，陶瓷基板在燒結(jié)成型之后,還需對(duì)其表面實(shí)施金屬化,，才能實(shí)現(xiàn)芯片與電子元件之間的互聯(lián)。目前，陶瓷基板按照金屬化工藝主要有DPC、DBC、AMB等平面陶瓷基板和LTCC、HTCC等三維陶瓷基板。不同工藝制備出來的陶瓷基板性能（精度、粗糙度）、應(yīng)用也有所區(qū)別。本篇文章就此盤點(diǎn)一下陶瓷散熱基板各類金屬化工藝及應(yīng)用側(cè)重點(diǎn)。

一、平面陶瓷基板金屬化

平面陶瓷基板為傳統(tǒng)的陶瓷基板，通常為通過濺射、蒸發(fā)、化學(xué)鍍、電鍍等方法在基板二維表面鍵合金屬層，這類技術(shù)制造工藝相對(duì)成熟，成本較低，適合大規(guī)模生產(chǎn)。當(dāng)前工業(yè)廣泛應(yīng)用的成熟金屬化工藝主要包括DPC、DBC以及AMB。除此之外，還有些新興的金屬化技術(shù)，如LAM 和TPC等。

01直接電鍍陶瓷基板（DPC）

▲工藝流程：

DPC是將陶瓷基板做預(yù)處理清潔，利用半導(dǎo)體工藝在陶瓷基板上濺射銅種子層，再經(jīng)曝光、顯影、蝕刻、去膜等光刻工藝實(shí)現(xiàn)線路圖案，最后再通過電鍍或化學(xué)鍍方式增加銅線路的厚度，移除光刻膠后即完成金屬化線路制作。此后，移除多余干膜和種子層，并在銅表面覆蓋一層非活性金屬來保護(hù)銅層，以便于后續(xù)的釬焊過程。

值得一提的是，由于Ti與陶瓷基板的結(jié)合強(qiáng)度相比Cu更高，因此，在陶瓷基板上預(yù)先濺射一層薄的Ti 層后再濺射銅層，可顯著提高結(jié)合強(qiáng)度。

▲特點(diǎn)：

1、精度高：采用了半導(dǎo)體微加工技術(shù)(如濺射鍍膜、光刻、顯影等)，金屬線路更加精細(xì)（線寬尺寸20~30m，表面平整度低于0.3m，線路對(duì)準(zhǔn)精度誤差小于±1%），適合對(duì)準(zhǔn)精度要求較高的微電子器件封裝；

2、避免高溫影響：采取低溫工藝（300℃以下），避免了高溫對(duì)材料或線路結(jié)構(gòu)的不利影響，也降低了制造工藝成本；

3、封裝體積?。?/strong>DPC采用了激光打孔與電鍍填孔技術(shù)，可通過通孔連接實(shí)現(xiàn)陶瓷基板表面垂直互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)電子器件三維封裝集成，降低器件體積；

▲局限：

1、厚度有限：受限于電鍍工藝，其銅層厚度通常不超過150 μm。

2、通孔接觸不良：電鍍過程中，銅更易在通孔表面填充，導(dǎo)致在內(nèi)部未充實(shí)的情況下使通孔閉合，最終在通孔內(nèi)部形成孔洞，從而影響器件的性能、穩(wěn)定性和可靠性，需通過優(yōu)化電鍍液配方（如添加抑制劑）及輔助工藝參數(shù)來改進(jìn)。

3、環(huán)保性差：電鍍廢液污染大。

▲應(yīng)用

DPC技術(shù)是近年最普遍使用的陶瓷散熱基板，目前 主要應(yīng)用于大功率 LED的封裝。如高亮度LED和深紫外LED在高發(fā)熱的應(yīng)用場景中，可采用DPC陶瓷基板搭配透明石英等具有良好熱穩(wěn)定性和可靠性的正面封裝材料來提高器件的可靠性。

02直接覆銅陶瓷基板（DBC）

（來源： 電子制造工藝技術(shù)）

▲工藝原理：

直接銅鍵合是將銅箔直接鍵合到陶瓷基片（主要為Al2O3和AlN）表面的金屬化方法。其基本原理是在銅與陶瓷界面處引入氧，并在1065-1083 ℃時(shí)形成具備優(yōu)越的潤濕性能的Cu/O共晶液相，并與陶瓷基體和銅箔發(fā)生反應(yīng)生成CuAlO2或Cu(AlO2)2，從而實(shí)現(xiàn)陶瓷基板與銅箔化學(xué)冶金結(jié)合。最后再通過光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖形制備形成電路。

需要注意的是，氧氣在銅熔體中的擴(kuò)散率極低(10-5cm2/s)，難以在鍵合過程中引入足量氧，因此通常需要預(yù)氧化銅箔在銅箔表面形成Cu2O以促進(jìn)共晶液生成。

▲特點(diǎn)：

①結(jié)合強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性能好：銅與陶瓷基板之間通過化學(xué)冶金實(shí)現(xiàn)有效連接的，結(jié)合強(qiáng)度可高于65 N/cm，因此能夠提供優(yōu)異的導(dǎo)熱性能。

②銅層厚度范圍廣：在120 μm 至700 μm之間，載流能力強(qiáng)。

③熱膨脹系數(shù)與硅匹配：采用氧化鋁作為基板材料的DBC基板，其中的氧化鋁能有效控制Cu-Al2O3-Cu復(fù)合體的膨脹，因此這類DBC基板的熱膨脹系數(shù)與氧化鋁相似，可以很好地匹配硅材料，防止芯片受到應(yīng)力損壞，這使其可用于廣泛的溫度范圍。

▲局限：

1、線寬較大、精度較差：DBC基板采用濕法刻蝕工藝，面最小線寬一般大于100μm，使得線路精度限制，也影響了其在小體積封裝市場的應(yīng)用。

2、陶瓷基板材料受限：DBC工藝需要搭配特定的基板使用，一般采用Al2O3和AlN陶瓷基板時(shí)，需要通過增加鍵合過程的氧分壓和銅熔體的氧含量來提高銅熔體對(duì)于基板材料的潤濕性，但對(duì)于Si3N4等陶瓷基板，上述方法均難以改善。

3、抗熱沖擊性能較差：由于Al2O3與Cu層間容易產(chǎn)生微氣孔，降低了產(chǎn)品抗熱沖擊性能，同時(shí)使得在高溫下溫度循環(huán)可靠性很差，導(dǎo)致其應(yīng)用受限。

▲應(yīng)用：

銅與陶瓷基板之間的高結(jié)合強(qiáng)度可以為基板提供優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，使得DBC基板在高功率、高頻率和高溫環(huán)境下具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。當(dāng)前IGBT制造領(lǐng)域普遍以采用DBC基板為主流，因此DBC基板在該應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)極大份額，IGBT功率器件也成為DBC基板的主要應(yīng)用器件。

03活性金屬焊接陶瓷基板(AMB)

(來源：《電子封裝陶瓷基板》，華西證券研究所)

▲技術(shù)原理：

該技術(shù)是為解決DBC陶瓷基板在高溫條件下的溫度循環(huán)可靠性差的問題而開發(fā)的。通過在陶瓷基板上涂覆一層薄薄的Ti、Zr、Hf等金屬元素作為活性元素焊料，使其與陶瓷表面的氧、碳、氮或硅發(fā)生化學(xué)鍵合，隨后將銅箔貼合在焊料上并放置在800℃-950 ℃的真空環(huán)境下使焊料熔化，待焊料冷卻后即可形成形成合金而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)固的連接。最后通過濕法刻蝕技術(shù)制作金屬圖案以滿足大功率器件的電氣連接需求。

目前AMB工藝中常用的活性焊料主要包括Sn-Ag-Ti和Ag-Cu-Ti體系，其中Ti 作為活性金屬增強(qiáng) 焊料與陶瓷間的潤濕性，Sn和Ag 則起到降低熔點(diǎn)以及提高接頭的導(dǎo)熱性能的作用。

▲特點(diǎn)：

AMB使用了活性焊料，可在熱膨脹系數(shù)不匹配接頭表面形成過渡層，從而降低陶瓷基板內(nèi)部熱應(yīng)力，具有結(jié)合強(qiáng)度高、可靠性好，同時(shí)不受陶瓷基板材料限制，并解決了DBC陶瓷基板在高溫條件下的溫度循環(huán)可靠性差的問題。

▲局限：

①成本較高：該方法成本較高，合適的活性焊料較少，且焊料成分與工藝對(duì)焊接質(zhì)量影響較大。

②工藝局限性：AMB 工藝必須在高真空或保護(hù)氣氛下實(shí)施，這限制了其工藝的適用性

▲應(yīng)用情況：

由于自身的穩(wěn)定性以及耐高溫屬性較為契合高溫、高電壓工作環(huán)境，AMB基板極適用于連接器或?qū)﹄娏鞒休d大、散熱要求高的場景，尤其在第三代半導(dǎo)體功率器件（IGBT、MOSFET等）中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。不過，目前只有包括美國羅杰斯、德國亨利氏、KCC等少數(shù)國外企業(yè)掌握了AMB基板量產(chǎn)技術(shù)，國內(nèi)產(chǎn)能相對(duì)較少。

二、三維陶瓷基板金屬化

許多微電子器件(如加速度計(jì)、陀螺儀、深紫外LED等)芯片對(duì)空氣、濕氣、灰塵等非常敏感。為了提高這些微電子器件性能，特別是可靠性，必須將其芯片封裝在真空或保護(hù)氣體中，實(shí)現(xiàn)氣密封裝。因此，而三維陶瓷基板由于含腔體結(jié)構(gòu)，能夠滿足這種封裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)用需求。目前，這類金屬化工藝主要以低溫/高溫共燒陶瓷基板（LTCC/HTCC）的形式出現(xiàn)，除了能滿足上述氣密性封裝要求，而且可實(shí)現(xiàn)基板的三維布線密度。

共燒陶瓷典型結(jié)構(gòu)

01高溫共燒陶瓷基板（HTCC）

(來源：朔州市產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院)

▲技術(shù)原理：

HTCC基板制備過程中先將陶瓷粉加入有機(jī)黏結(jié)劑，混合均勻后成為膏狀陶瓷漿料，接著利用刮刀將陶瓷漿料刮成片狀，再通過干燥工藝使片狀漿料形成生胚；然后根據(jù)線路層設(shè)計(jì)鉆導(dǎo)通孔，采用絲網(wǎng)印刷金屬漿料（一般為熔點(diǎn)較高的鎢、鉬、錳等金屬或貴金屬）進(jìn)行布線和填孔，最后將各生胚層疊加，在900℃以下先進(jìn)行排膠處理，然后再在更高的1500-1800℃高溫環(huán)境中將多層疊壓的瓷片共燒成一體。

▲特點(diǎn)及應(yīng)用：

由于燒結(jié)溫度高，HTCC具有機(jī)械強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率高、物化性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，適合大功率及高溫環(huán)境下器件封裝，廣泛用于大功率、高可靠性集成電路或微電路領(lǐng)域。

▲局限：

①HTCC基板制備工藝溫度高，制作成本較高，且其線路精度較差，難以滿足高精度封裝需求。

②高熔點(diǎn)金屬電導(dǎo)率不高，因此導(dǎo)通電阻較高。

02低溫共燒陶瓷基板（LTCC）

HTCC和LTCC對(duì)比（來源：東方財(cái)富網(wǎng)）

▲技術(shù)原理：

與HTCC一樣，LTCC的制備也需要經(jīng)過球磨混料、流延、切片、沖孔、填孔、圖形印制、疊片、壓合、熱切割、燒結(jié)、燒后處理、成品分離等流程。不同的是，LTCC一般采用微晶玻璃系、陶瓷+玻璃復(fù)合系、非晶玻璃系等具有低燒結(jié)溫度的介質(zhì)陶瓷材料以及金、銀、銅、鈀-銀等低熔點(diǎn)金屬在低于950℃的溫度下燒結(jié)而成。

▲特點(diǎn)及應(yīng)用：

具有導(dǎo)通電阻低、制造成本低、熱膨脹系數(shù)低、介電常數(shù)低且易調(diào)整、可埋置無源器件、高頻特性優(yōu)良、可制作線寬低至50μm的精細(xì)電路的優(yōu)點(diǎn)，滿足高頻、低損耗、高速傳輸、小型化等的封裝要求，目前已在航天、航空、通信、雷達(dá)等領(lǐng)域已得到重要應(yīng)用，在要求更高數(shù)據(jù)傳輸速率和帶寬以及更低延遲的5G 領(lǐng)域也已大量使用LTCC 產(chǎn)品，LTCC封裝產(chǎn)品使用頻率已超過100 GHz，具有廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用市場。

▲局限：

由于在低溫下進(jìn)行燒結(jié)，通常HTCC的機(jī)械強(qiáng)度低、導(dǎo)熱率低，同時(shí)材料成本也較高

除了HTCC和LTCC之外，三維陶瓷基板還能基于平面陶瓷基板工藝堆疊形成，例如，可在完成平面DPC線路層加工后，再多次光刻、顯影和圖形電鍍完成圍壩制備多層電鍍（MPC）基板；利用焊接工藝用于連接金屬圍壩與DPC陶瓷基板，先對(duì)準(zhǔn)后填充焊料，焊接形成含圍壩的陶瓷基板等......

MPC技術(shù)（來源：朔州市產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院）

焊接法制備三維陶瓷基板（來源：陶瓷基板智造）

小結(jié)

金屬化是陶瓷基板實(shí)現(xiàn)芯片與電子元件之間互聯(lián)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)于電子元件的可靠性和穩(wěn)定性有著重要影響。當(dāng)前陶瓷基板金屬化工藝多樣，既包括相對(duì)簡單的平面陶瓷基板工藝，也包括能夠?qū)崿F(xiàn)三維布線和氣密性要求的三維陶瓷基板工藝。

在平面陶瓷基板中，DPC具有高精度的優(yōu)勢，是近年最普遍使用的陶瓷散熱基板，然而其對(duì)電鍍液控制要求較高，同時(shí)金屬層厚度有限。DBC則具有結(jié)合強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性能好、載流能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但Al₂O₃與Cu板間微氣孔產(chǎn)生的問題，使其良率受到較大的挑戰(zhàn)。而AMB作為DBC工藝的升級(jí)，解決了該問題，具有巨大的應(yīng)用潛力，但目前技術(shù)主要被國外企業(yè)壟斷。

在三維陶瓷基板中，主要以HTCC和LTCC技術(shù)為代表，由于工藝上的細(xì)微區(qū)別（燒結(jié)溫度、材料的選擇），HTCC在機(jī)械強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率、物化性能等方面存在優(yōu)勢，而LTCC則在導(dǎo)通電阻、制造成本、電學(xué)性能、電路精度等方面表現(xiàn)優(yōu)秀。

參考來源：

1、黃富,岳文鋒,李俊杰,等.電子封裝陶瓷基板及其金屬化工藝[J].現(xiàn)代技術(shù)陶瓷.

2、睿擇投研.《陶瓷基板金屬化工藝：TFC、DPC、DBC、AMB優(yōu)勢各異，下游多領(lǐng)域快速拓展》

3、朔州市產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院.《行業(yè)研究｜陶瓷基板的材料與應(yīng)用》

4、 先進(jìn)陶瓷氧化鋁氮化鋁氮化硅HTCC.《DBC和DPC 陶瓷基板，究竟有何區(qū)別？》

免責(zé)申明：本文內(nèi)容轉(zhuǎn)自：微信公眾號(hào)“粉體圈”。文字、素材、圖片版權(quán)等內(nèi)容屬于原作者，本站轉(zhuǎn)載內(nèi)容僅供大家分享學(xué)習(xí)。如果侵害了原著作人的合法權(quán)益，請(qǐng)及時(shí)與我們聯(lián)系，我們會(huì)安排刪除相關(guān)內(nèi)容。本文內(nèi)容為原作者觀點(diǎn)，并不代表我們贊同其觀點(diǎn)和（或）對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)。

先藝電子、XianYi、先藝、金錫焊片、Au80Sn20焊片、Solder Preform、芯片封裝焊片供應(yīng)商、芯片封裝焊片生產(chǎn)廠家、光伏焊帶、銀基釬料、助焊膏、高溫助焊劑、高溫焊錫膏、flux paste、陶瓷絕緣子封裝、氣密性封裝、激光器巴條封裝、熱沉、IGBT大功率器件封裝、光電子器件封裝、預(yù)成型錫片、納米銀、納米銀膏、AuSn Alloy、TO-CAN封裝、低溫焊錫膏、噴印錫膏、銀焊膏、銀膠、燒結(jié)銀、低溫銀膠、銀燒結(jié)、silver sinter paste、Ceramic submount、低溫共晶焊料、低溫合金預(yù)成形焊片、Eutectic Solder、低溫釬焊片、金錫Au80Sn20焊料片、銦In合金焊料片、In97Ag3焊片、錫銀銅SAC焊料片、錫銻Sn90Sb10焊料片、錫鉛Sn63Pb37焊料片、金錫Au80Sn20預(yù)成形焊片、Au80Sn20 Solder Preform、大功率LED芯片封裝焊片生產(chǎn)廠家、TO封帽封裝焊片、In52Sn48、銦銀合金焊片、純銦焊片供應(yīng)商、銦In合金預(yù)成形焊片、錫銀銅SAC305（Sn96.5Ag3.0Cu0.5）焊片、錫銀銅預(yù)成形焊片焊箔供應(yīng)商、錫銻焊片、Sn90Sb10 Solder Preforms、錫鉛焊片、錫鉛Sn63Pb37焊片供應(yīng)商、錫鉛Sn63Pb37焊片生產(chǎn)廠家、錫鉛預(yù)成形焊片、金錫合金焊片選型指南、低溫合金焊片應(yīng)用、低溫合金焊片如何選擇、預(yù)成形焊片尺寸選擇、xianyi electronic、半導(dǎo)體芯片封裝焊片、光電成像器件的蓋板密封焊接、無助焊劑焊片、圓環(huán)預(yù)成形焊片、方框預(yù)成形焊片、金屬化光纖連接焊片、金基焊料、金鍺焊料、金硅焊料、器件封裝焊料、預(yù)涂助焊劑、帶助焊劑焊片、金錫助焊劑、共晶助焊膏、預(yù)置焊片、金錫封裝、箔狀焊片、預(yù)制焊錫片、預(yù)鍍金錫、預(yù)涂金錫

廣州先藝電子科技有限公司是先進(jìn)半導(dǎo)體連接材料制造商、電子封裝解決方案提供商，我們可根據(jù)客戶的要求定制專業(yè)配比的金、銀、銅、錫、銦等焊料合金，加工成預(yù)成形焊片，提供微電子封裝互連材料、微電子封裝互連器件和第三代功率半導(dǎo)體封裝材料系列產(chǎn)品，更多資訊請(qǐng)看m.8050lu.com，或關(guān)注微信公眾號(hào)“先藝電子”。