陶瓷基板，又稱陶瓷電路板，主要由陶瓷基片和金屬線路層組成。對于電子封裝而言，封裝基板起著關鍵作用，不僅連接內外散熱通道，還兼具電互聯和機械支撐等功能。根據封裝結構和應用要求，陶瓷基板可分為平面陶瓷基板和三維陶瓷基板兩大類。根據不同的制備工藝和技術，陶瓷基板有多種不同的類型，每種類型的制造方法決定了其應用領域、性能特點及適用的封裝需求。

常見的平面陶瓷基板工藝路線包括：薄膜陶瓷(TFC)基板、厚膜印刷陶瓷(TPC)基板、直接鍵合銅陶瓷(DBC)基板、活性金屬焊接陶瓷(AMB)基板、直接電鍍銅陶瓷(DPC)基板、激光活化金屬陶瓷(LAM)基板。

DCB和AMB基板，來源NGK

一、平面陶瓷基板

1、薄膜陶瓷基板（Thin Film Ceramic Substrate，TFC基板）

工藝特點：通過磁控濺射、真空蒸鍍、電化學沉積等薄膜工藝，直接在陶瓷基片表面沉積金屬層，通過輔助光刻、顯影、蝕刻等工藝，金屬層可以被制成線路的圖形形狀。

薄膜電路制造工藝流程

應用：該工藝工作溫度低、布線精度高、金屬層厚度可控以及金屬陶瓷間結合強度高，可制備高精度（線寬/線距小于10μm）陶瓷基板。但TFC基板表面金屬層厚度較小（一般小于1μm），一般應用于激光與光通信領域的小電流器件封裝。

2、厚膜印刷陶瓷基板（Thick Printing Ceramic Substrate，TPC基板）

工藝特點：通過絲網印刷（Screen Printing）將導電漿料、電阻漿料等材料印制在陶瓷基板上，干燥后經高溫燒結溫度（一般為850~900℃）制備TPC基板。根據金屬漿料黏度和絲網網孔尺寸的不同，制備的金屬線路層厚度一般在10~20μm（金屬層厚度的增加可通過多次絲網印刷實現）。TPC基板以銀基導電漿料是最主要的材料，此外，為了降低燒結溫度并提高金屬層與陶瓷基片間的結合強度，通常在金屬漿料中添加少量玻璃相，但這會降低金屬層的電導率和導熱率。

TPC基板制備工藝流程

應用：TPC基板的制備工藝相對簡單，對加工設備和環境的要求較低，生產效率較高，但受限于絲網印刷工藝，其最小線寬和線距通常在100~300μm之間，難以滿足高精度電路需求。因此，TPC基板主要用于對線路精度要求不高、但需要較高生產效率的電子器件封裝領域，如汽車電子等。

TPC陶瓷基板在溫度循環可靠性方面展現出顯著優勢，其循環次數遠超DBC陶瓷基板，且不依賴于特定的基板類型。然而，印刷的金屬層內部存在的孔隙和雜質問題導致金屬層電阻增大，這是TPC技術有待解決的關鍵問題之一。

3、直接鍵合銅陶瓷基板（Direct Bonded Copper Ceramic Substrate，DBC基板）

工藝特點：DBC（直接銅鍵合）工藝的核心原理是利用氧降低銅的熔點（金屬銅的熔點為1083℃），使銅-氧共晶液相在陶瓷表面形成潤濕，從而實現銅與陶瓷的牢固結合。首先，在銅箔（Cu）和陶瓷基片（通常是Al?O?或AlN）之間引入氧元素，然后在1065℃左右形成Cu-Cu?O共晶相，此時部分銅熔化并潤濕陶瓷基片，與陶瓷發生化學和物理結合，從而實現銅與陶瓷間的共晶鍵合。隨后，冷卻形成穩固的銅層，并對表面的Cu進行刻蝕，以得到模塊所需的電路圖形。

DBC基板制備工藝

應用：銅與陶瓷間的共晶鍵合強度高，因此DBC基板具有較高的熱穩定性。DBC基板的銅箔厚度較大（一般為100~600μm），可以承受較大的電流承載力，同時具有高的絕緣電壓，可滿足高溫、大電流等極端環境下器件封裝的需求。目前DBC基板已廣泛用于絕緣柵雙極極管(IGBT)、激光器(LD)和聚焦光伏(CPV)等器件封裝中的散熱。

DBC基板在實際應用中有許多優勢，但在制備過程中需要嚴格控制共晶溫度和氧含量，對設備和工藝控制要求較高。由于厚銅刻蝕的限制，DBC技術路線無法制備出高精度的線路層（濕法刻蝕技術使得銅層線路寬度達到200μm）。此外，DBC陶瓷基板在實際應用中還面臨鍵合界面存在孔隙（可能與高溫下Cu2O還原為Cu時釋放氧氣以及陶瓷基板的氣體釋放有關）及溫度循環可靠性差（主要原因陶瓷與銅層的巨大CTE差）的雙重挑戰。

DBC技術路線在氧化鋁陶瓷上應用成熟，但卻與高功率封裝的熱點陶瓷基板材料--氮化硅陶瓷不太匹配。DBC技術中氧親和力是關鍵，而氮化硅表面以Si-N鍵為主，幾乎不含游離氧，無法與銅發生共晶反應，即便強行預氧化也難以支持可靠的鍵合，此外，氮化硅的熱膨脹系數與銅差異較大，兩者直接鍵合冷卻后界面應用過大。

4、活性金屬焊接陶瓷基板（Active Metal Brazing Ceramic Substrate，AMB基板）

工藝特點：活性金屬釬焊（AMB）工藝作為傳統直接覆銅（DBC）技術的升級版，其核心創新在于通過釬料中少量的活性金屬元素實現了陶瓷與金屬的高效結合。該工藝在真空或惰性氣體保護環境下進行，當溫度升至釬料熔點時，釬料中預添加的鈦（Ti）、鋯（Zr）、鉿（Hf）、釩（V）、鈮（Nb）、鉭（Ta）等高活性金屬元素會與銅箔及陶瓷基板（常用氮化鋁/氮化硅）表面發生化學反應，原位生成高強度界面結合層。這些活性元素憑借其優異的反應活性，可顯著增強釬料對陶瓷表面的潤濕能力，從而省去了傳統陶瓷金屬化預處理的復雜工序，實現了陶瓷基板與金屬層的直接可靠連接。通過選擇合適的活性焊料，可降低鍵合溫度（低于800℃），從而降低陶瓷基板內部的熱應力。

AMB技術，來源：IPCB

應用：氮化硅陶瓷基板憑借其卓越的熱管理性能、機械強度以及對極端環境的適應性，成為第三代半導體功率模塊的關鍵材料。通過活性金屬釬焊（AMB）技術，氮化硅陶瓷基板可以與金屬層實現高強度、耐高溫的連接，是汽車應用、風力渦輪機、牽引應用和高電壓直流傳輸的理想基板材料。

SiC MOSFET功率模塊中的Si₃N₄ AMB 來源：無錫利普思

不同陶瓷基板工藝的適配性：DBC/AMB

5、直接電鍍銅陶瓷基板（Direct Plated Copper Ceramic Substrate，DPC基板）

工藝特點：DPC是在陶瓷薄膜工藝加工基礎上發展起來的陶瓷電路加工工藝。首先利用激光在陶瓷基片上制造通孔（孔徑一般為60~120um），然后利用超聲波清洗陶瓷基片；采用磁控濺射技術在陶瓷基片表面沉積金屬種子層(Ti/Cu)，接著通過光刻、顯影完成線路層的制作；采用電鍍填孔和增厚金屬線路層（線路厚度一般在10~100μm），并通過表面處理提高基板的可焊性與抗氧化性能，最后去除干膜、刻蝕多余的種子層，適當后處理，完成基板制備。

DPC基板的制備流程

應用：DPC技術通過光刻+電鍍工藝可實現線寬/線距低至30-50μm，顯著優于厚膜和DBC，支持高密度布線，且可通過垂直互連，實現三維堆疊結構，適用于微型化封裝（如射頻模塊、光電子器件）。DPC在“高功率密度+高精度”需求場景中，填補了厚膜/DBC（大功率但低精度）與薄膜電路（高精度但低功率）之間的空白。盡管DPC陶瓷基板具有高導熱性、高線路精度以及可通過通孔連接減少封裝體積等優點，但受限于電鍍工藝，其銅層厚度通常不超過150μm，因此不適用于超大電流場景，但在特定高性能市場中不可替代，目前主要應用于高亮度高功率LED、微波無線通訊及半導體設備等領域。

6、激光活化金屬陶瓷基板（Laser Activated Metallization Ceramic Substrate，LAM基板）

工藝特點：LAM工藝通過激光束對含鋁陶瓷基板（例如氧化鋁、氮化鋁基板）進行選擇性照射，被照射的陶瓷材料還原成活化的金屬原子，隨后將其浸入含Cu²⁺的化學鍍液中，活化原子促使Cu²⁺還原并沉積在被照射的區域，形成金屬線路圖案。LAM工藝常用含鋁基板進行加工，因為激光照射后可以形成活化的Al原子。但Al原子的催化性能并不理想，需要其它的催化劑來提高沉積效率。例如先在陶瓷基板上涂覆一層PdCl₂，激光照射后，PdCl₂會分解成PdO和單質Pd，二者均可作為化學鍍銅的有效催化劑。

應用：LAM基板制備工藝可在平面陶瓷基板或立體陶瓷結構上加工線路層，但其線路層由激光束“畫”出來，難以進行大批量生產，導致價格極高。目前，該技術主要應用在航空航天領域中的異型陶瓷散熱件加工。 

二、總結

TFC基板布線精度高，但金屬層厚度較小，適用于小電流器件封裝；TPC工藝雖簡單可靠，但受限于高電阻和厚銅層制備過程繁瑣；DBC有多重優勢，但面臨溫度循環可靠性性差和孔隙問題；AMB工藝展現出優秀的溫度循環可靠性，應用前景廣泛，當前核心在于開發新焊料、強化接頭強度與可靠性；DPC工藝實現了高精度線路，但受限于線路薄、高昂的設備成本及環境污染；LAM工藝也具有高線路精度的優勢，但設備成本較高且也存在環境污染的風險。

參考資料：

1、張海波，譚劃，姜勝林主編.《先進陶瓷工藝學》.華中科技大學出版社，2023.09.

2、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，2024

3、IPCB、無錫利普思、NGK、Jinghui Ceramic、博銳電路等官網

編輯整理：粉體圈 Alpha