隨著現代電子技術的飛速發展，電子設備小型化和集成化趨勢愈來愈明顯，同時工作頻率和功率密度也顯著增加，給電子系統的熱管理帶來了前所未有的挑戰。封裝基板作為半導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，還起著連接內外散熱通道的關鍵作用。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熱性、耐熱性、高絕緣、高強度、低熱脹、耐腐蝕和抗輻射等優點，在功率器件和高溫電子器件封裝中應用優勢明顯。

不過，陶瓷基板在燒結成型之后, 還需對其表面實施金屬化,，才能實現芯片與電子元件之間的互聯。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）、應用也有所區別。本篇文章就此盤點一下陶瓷散熱基板各類金屬化工藝及應用側重點。

一、平面陶瓷基板金屬化

平面陶瓷基板為傳統的陶瓷基板，通常為通過濺射、蒸發、化學鍍、電鍍等方法在基板二維表面鍵合金屬層，這類技術制造工藝相對成熟，成本較低，適合大規模生產。當前工業廣泛應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，如 LAM 和 TPC等

1、直接電鍍陶瓷基板（DPC）

▲工藝流程：

DPC是將陶瓷基板做預處理清潔，利用半導體工藝在陶瓷基板上濺射銅種子層，再經曝光、顯影、蝕刻、去膜等光刻工藝實現線路圖案，最后再通過電鍍或化學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銅層，以便于后續的釬焊過程。

值得一提的是，由于 Ti 與陶瓷基板的結合強度相比Cu更高，因此，在陶瓷基板上預先濺射一層薄的 Ti 層 后再濺射銅層，可顯著提高結合強度。

▲特點：

1、精度高：采用了半導體微加工技術(如濺射鍍膜、光刻、顯影等)，金屬線路更加精細（線寬尺寸20~30m，表面平整度低于0.3m，線路對準精度誤差小于±1%），適合對準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），避免了高溫對材料或線路結構的不利影響，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，可通過通孔連接實現陶瓷基板表面垂直互聯，實現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，導致在內部未充實的情況下使通孔閉合，最終在通孔內部形成孔洞，從而影響器件的性能、穩定性和可靠性，需通過優化電鍍液配方（如添加抑制劑）及輔助工藝參數來改進。

3、環保性差：電鍍廢液污染大。

▲應用

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

2、直接覆銅陶瓷基板（DBC）

（來源：電子制造工藝技術）

▲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 ℃時形成具備優越的潤濕性能的Cu/O共晶液相，并與陶瓷基體和銅箔發生反應生成CuAlO₂或Cu(AlO2)₂，從而實現陶瓷基板與銅箔化學冶金結合。最后再通過光刻技術實現圖形制備形成電路。

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

▲特點：

①結合強度高、導熱性能好：銅與陶瓷基板之間通過化學冶金實現有效連接的，結合強度可高于 65 N/cm，因此能夠提供優異的導熱性能。

②銅層厚度范圍廣：在 120 μm 至 700 μm之間，載流能力強。

③熱膨脹系數與硅匹配：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復合體的膨脹，因此這類DBC基板的熱膨脹系數與氧化鋁相似，可以很好地匹配硅材料，防止芯片受到應力損壞，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，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于基板材料的潤濕性，但對于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層間容易產生微氣孔，降低了產品抗熱沖擊性能，同時使得在高溫下溫度循環可靠性很差，導致其應用受限。

▲應用：

銅與陶瓷基板之間的高結合強度可以為基板提供優異的導熱性能，使得DBC基板在高功率、高頻率和高溫環境下具有良好的穩定性和可靠性。當前IGBT制造領域普遍以采用DBC基板為主流，因此DBC基板在該應用領域占據極大份額，IGBT功率器件也成為DBC基板的主要應用器件。

3、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

▲技術原理：該技術是為解決DBC 陶瓷基板在高溫條件下的溫度循環可靠性差的問題而開發的。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、氮或硅發生化學鍵合，隨后將銅箔貼合在焊料上并放置在 800℃~950 ℃ 的真空環境下使焊料熔化，待焊料冷卻后即可形成形成合金而實現穩固的連接。最后通過濕法刻蝕技術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 焊料與陶瓷間的潤濕性，Sn 和 Ag 則起到降低熔點以及提高接頭的導熱性能的作用。

▲特點：

AMB使用了活性焊料，可在熱膨脹系數不匹配接頭表面形成過渡層，從而降低陶瓷基板內部熱應力，具有結合強度高、可靠性好，同時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焊接質量影響較大。

2、工藝局限性：AMB 工藝必須在高真空或保護氣氛下實施，這限制了其工藝的適用性

▲應用情況：

由于自身的穩定性以及耐高溫屬性較為契合高溫、高電壓工作環境，AMB基板極適用于連接器或對電流承載大、散熱要求高的場景，尤其在第三代半導體功率器件（IGBT、MOSFET等）中展現出巨大的應用潛力。不過，目前只有包括美國羅杰斯、德國亨利氏、KCC等少數國外企業掌握了AMB基板量產技術，國內產能相對較少。

二、三維陶瓷基板金屬化

許多微電子器件(如加速度計、陀螺儀、深紫外LED等)芯片對空氣、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氣體中，實現氣密封裝。因此，而三維陶瓷基板由于含腔體結構，能夠滿足這種封裝結構的應用需求。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，除了能滿足上述氣密性封裝要求，而且可實現基板的三維布線密度。

共燒陶瓷典型結構

1、高溫共燒陶瓷基板（HTCC）

來源：朔州市產業技術研究院

技術原理：HTCC基板制備過程中先將陶瓷粉加入有機黏結劑，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；然后根據線路層設計鉆導通孔，采用絲網印刷金屬漿料（一般為熔點較高的鎢、鉬、錳等金屬或貴金屬）進行布線和填孔，最后將各生胚層疊加，在900℃以下先進行排膠處理，然后再在更高的 1,500-1,800℃高溫環境中將多層疊壓的瓷片共燒成一體。

特點及應用：由于燒結溫度高，HTCC具有機械強度高、熱導率高、物化性能穩定等優點，適合大功率及高溫環境下器件封裝，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高熔點金屬電導率不高，因此導通電阻較高。

2、低溫共燒陶瓷基板（LTCC）

HTCC和LTCC對比（來源：東方財富網）

▲技術原理：與HTCC一樣，LTCC的制備也需要經過球磨混料、流延、切片、沖孔、填孔、圖形印制、疊片、壓合、熱切割、燒結、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+玻璃復合系、非晶玻璃系等具有低燒結溫度的介質陶瓷材料以及金、銀、銅、鈀-銀等低熔點金屬在低于950℃的溫度下燒結而成。

▲特點及應用：具有導通電阻低、制造成本低、熱膨脹系數低、介電常數低且易調整、可埋置無源器件、高頻特性優良、可制作線寬低至50μm 的精細電路的優點，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、雷達等領域已得到重要應用，在要求更高數據傳輸速率和帶寬以及更低延遲的 5G 領域也已大量使用 LTCC 產品，LTCC 封裝產品使用頻率已超過 100 GHz，具有廣闊的發展前景和應用市場。

▲局限：由于在低溫下進行燒結，通常HTCC的機械強度低、導熱率低，同時材料成本也較高

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，先對準后填充焊料，焊接形成含圍壩的陶瓷基板等......

MPC技術（來源：朔州市產業技術研究院）

焊接法制備三維陶瓷基板（來源：陶瓷基板智造）

小結

金屬化是陶瓷基板實現芯片與電子元件之間互聯的一個關鍵環節，對于電子元件的可靠性和穩定性有著重要影響。當前陶瓷基板金屬化工藝多樣，既包括相對簡單的平面陶瓷基板工藝，也包括能夠實現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具有高精度的優勢，是近年最普遍使用的陶瓷散熱基板，然而其對電鍍液控制要求較高，同時金屬層厚度有限。DBC則具有結合強度高、導熱性能好、載流能力強等優點，但Al₂O₃與Cu板間微氣孔產生的問題，使其良率受到較大的挑戰。而AMB作為DBC工藝的升級，解決了該問題，具有巨大的應用潛力，但目前技術主要被國外企業壟斷。

在三維陶瓷基板中，主要以HTCC和LTCC技術為代表，由于工藝上的細微區別（燒結溫度、材料的選擇），HTCC在機械強度高、熱導率、物化性能等方面存在優勢，而LTCC則在導通電阻、制造成本、電學性能、電路精度等方面表現優秀。

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].現代技術陶瓷.

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

3、朔州市產業技術研究院.《行業研究｜陶瓷基板的材料與應用》

4、先進陶瓷氧化鋁氮化鋁氮化硅HTCC.《DBC 和 DPC 陶瓷基板，究竟有何區別？》

粉體圈Corange整理