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(shì)愈來(lái)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(lái)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(shì)明顯。

不過(guò)，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(lái)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(guò)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

1、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(guò)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(lái)保護(hù)銅層，以便于后續(xù)的釬焊過(guò)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、封裝體積小：DPC采用了激光打孔與電鍍填孔技術(shù)，可通過(guò)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(guò) 150 μm。

2、通孔接觸不良；電鍍過(guò)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(guò)優(yōu)化電鍍液配方（如添加抑制劑）及輔助工藝參數(shù)來(lái)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(chǎng)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(lái)提高器件的可靠性。

2、直接覆銅陶瓷基板（DBC）

（來(lái)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(rùn)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(guò)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^-5 cm² /s)，難以在鍵合過(guò)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(guò)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-A1₂03-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(chǎng)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(guò)增加鍵合過(guò)程的氧分壓和銅熔體的氧含量來(lái)提高銅熔體對(duì)于基板材料的潤(rùn)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A1203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。

3、活性金屬焊接陶瓷基板(AMB)

來(lái)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(wèn)題而開(kāi)發(fā)的。通過(guò)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(guò)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(rùn)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(guò)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(wèn)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(chǎng)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(guò)，目前只有包括美國(guó)羅杰斯、德國(guó)亨利氏、KCC等少數(shù)國(guó)外企業(yè)掌握了AMB基板量產(chǎn)技術(shù)，國(guó)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)

1、高溫共燒陶瓷基板（HTCC）

來(lái)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(guò)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(guò)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 1,500-1,800℃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。

2、低溫共燒陶瓷基板（LTCC）

HTCC和LTCC對(duì)比（來(lái)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(guò)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(wú)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(guò) 100 GHz，具有廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用市場(chǎng)。

▲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(lái)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(lái)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(jiǎn)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(shì)，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(wèn)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(wèn)題，具有巨大的應(yīng)用潛力，但目前技術(shù)主要被國(guó)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(shì)，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(lái)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(shì)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？》

粉體圈Corange整理