陶瓷基板的現狀及發(fā)展淺析

陶瓷材料在電子工業(yè)中扮演著重要的角色，其電阻高，高頻特性突出，且具有熱導率高、化學穩(wěn)定性佳、熱穩(wěn)定性和熔點高等優(yōu)點。在電子線路的設計和制造非常需要這些的性能，因此陶瓷被廣泛用于不同厚膜、薄膜或和電路的基板材料，還可以用作絕緣體，在熱性能要求苛刻的電路中做導熱通路以及用來制造各種電子元件，廣泛應用于功率電子、電子封裝、混合微電子與多芯片模塊等領域。

各種陶瓷基板材料的比較

① Al?O?

到目前為止，氧化鋁基板是電子工業(yè)中最常用的基板材料，因為在機械、熱、電性能上相對于大多數其他氧化物陶瓷，強度及化學穩(wěn)定性高，且原料來源豐富，適用于各種各樣的技術制造以及不同的形狀。

② BeO

具有比金屬鋁還高的熱導率，應用于需要高熱導的場合，但溫度超過300℃后迅速降低，最重要的是由于其毒性限制了自身的發(fā)展。

③ AlN

AlN有兩個非常重要的性能值得注意：一個是高的熱導率，一個是與Si相匹配的膨脹系數。缺點是即使在表面有非常薄的氧化層也會對熱導率產生影響，只有對材料和工藝進行嚴格控制才能制造出一致性較好的AlN基板。目前大規(guī)模的AlN生產技術國內還是不成熟，相對于Al?O?，AlN價格相對偏高許多，這個也是制約其發(fā)展的瓶頸。綜合以上原因，可以知道，氧化鋁陶瓷由于比較優(yōu)越的綜合性能，在目前微電子、功率電子、混合微電子、功率模塊等領域還是處于主導地位而被大量運用。

陶瓷基板的制造

制造高純度的陶瓷基板是很困難的，大部分陶瓷熔點和硬度都很高，這一點限制了陶瓷機械加工的可能性，因此陶瓷基板中常常摻雜熔點較低的玻璃用于助熔或者粘接，使最終產品易于機械加工。

陶瓷基片→陶瓷基板

Al?O?、BeO、AlN基板制備過程很相似，將基體材料研磨成粉直徑在幾微米左右，與不同的玻璃助熔劑和粘接劑（包括粉體的MgO、CaO）混合，此外還向混合物中加入一些有機粘接劑和不同的增塑劑再通過球磨防止團聚使成分均勻，成型生瓷片，最后高溫燒結。目前陶瓷成型主要有如下幾種方法：

● 輥軸軋制將漿料噴涂到一個平坦的表面，部分干燥以形成黏度像油灰狀的薄片，再將薄片送入一對大的平行輥軸中軋碾得到厚度均勻的生瓷片。

● 流延漿料通過鋒利的刀刃涂復在一個移動的帶上形成薄片。與其他工藝相比這是一種低壓的工藝。

● 粉末壓制粉末在硬模具腔內并施加很大的壓力（約138MPa）下燒結，盡管壓力不均勻可能產生過度翹曲但這一工藝生產的燒結件非常致密，容差較小。

● 等靜壓粉末壓制這種工藝使用使用周圍為水或者為甘油的模及使用高達69MPa的壓力這種壓力更為均勻所制成的部件翹曲更小。

● 擠壓漿料通過模具擠出這種工藝使用的漿料黏度較低，難以獲得較小容差，但是這種工藝非常經濟，并且可以得到比其他方法更薄的部件。

陶瓷基板種類及其特點

現階段的陶瓷散熱基板種類主要有較為普遍的HTCC、LTCC、DBC、DPC以及新興的DBA、AMB。

① LTCC（Low-Temperature Co-fired Ceramic）

LTCC又稱為低溫共燒多層陶瓷基板，此技術須先將無機的氧化鋁粉與約30%~50%的玻璃材料加上有機黏結劑，使其混合均勻成為泥狀的漿料，接著利用刮刀把漿料刮成片狀，再經由一道干燥過程將片狀漿料形成一片片薄薄的生胚，然后依各層的設計鉆導通孔，作為各層訊號的傳遞，LTCC內部線路則運用網版印刷技術，分別于生胚上做填孔及印制線路，內外電極則可分別使用銀、銅、金等金屬，最后將各層做疊層動作，放置于850~900℃的燒結爐中燒結成型，即可完成。

②HTCC（High-Temperature Co-fired Ceramic）

HTCC又稱為高溫共燒多層陶瓷，生產制造過程與LTCC極為相似，主要的差異點在于HTCC的陶瓷粉末并無加入玻璃材質，因此，HTCC的必須在高溫1300~1600℃環(huán)境下干燥硬化成生胚，接著同樣鉆上導通孔，以網版印刷技術填孔與印制線路，因其共燒溫度較高，使得金屬導體材料的選擇受限，其主要的材料為熔點較高但導電性卻較差的鎢、鉬、錳…等金屬，最后再疊層燒結成型。

③ DBC（Direct Bonded Copper）

直接敷銅技術是利用銅的含氧共晶液直接將銅敷接在陶瓷上，其基本原理就是敷接過程前或過程中在銅與陶瓷之間引入適量的氧元素，在1065℃~1083℃范圍內，銅與氧形成Cu-O共晶液，DBC技術利用該共晶液一方面與陶瓷基板發(fā)生化學反應生成CuAlO2或CuAl2O4相，另一方面浸潤銅箔實現陶瓷基板與銅板的結合。直接敷銅陶瓷基板由于同時具備銅的優(yōu)良導電、導熱性能和陶瓷的機械強度高、低介電損耗的優(yōu)點，所以得到廣泛的應用。

④ DBA（Direct Bonded Aluminum）

直接敷鋁陶瓷基板（DBA）是基于DBC工藝技術發(fā)展起來的新型金屬敷接陶瓷基板，是鋁與陶瓷層鍵合而形成的基板，其結構與DBC相似，也可以像PCB一樣蝕刻出各式各樣的圖形。利用鋁在液態(tài)下對陶瓷有著較好的潤濕性以實現二者的敷接。當溫度升至660℃以上時，固態(tài)鋁發(fā)生液化，當液態(tài)鋁潤濕陶瓷表面后，隨著溫度的降低，鋁直接在陶瓷表面提供的晶核結晶生長，冷卻到室溫實現兩者的結合。

AlN-DBC

敷鋁陶瓷基板（DAB）以其獨特的性能應用于絕緣載體，特別是功率電子電路。這種新型材料在很多方面都有和直接敷銅基板（DBC）相似的地方，而自身又具有顯著的抗熱震性能和熱穩(wěn)定性能，對提高在極端溫度下工作器件的穩(wěn)定性十分明顯。由Al-Al?O?基板、Al-AlN基板做成的電力器件模塊已成功應用在日本汽車工業(yè)上。DAB基板在對高可靠性有特殊要求的器件上具有巨大的潛力，這就使其非常適合優(yōu)化功率電子系統(tǒng)、自動化、航空航天等。

⑤ DPC（Direct Plate Copper）

DPC亦稱為直接鍍銅基板，DPC基板工藝為例：首先將陶瓷基板做前處理清潔，利用薄膜專業(yè)制造技術－真空鍍膜方式于陶瓷基板上濺鍍結合于銅金屬復合層，接著以黃光微影之光阻被復曝光、顯影、蝕刻、去膜工藝完成線路制作，最后再以電鍍/化學鍍沉積方式增加線路的厚度，待光阻移除后即完成金屬化線路制作。

⑥ AMB（Active Metal Bonding）

活性金屬釬焊陶瓷基板（AMB）是在800℃左右的高溫下，含有活性元素Ti、Zr的AgCu焊料在陶瓷和金屬的界面潤濕并反應，從而實現陶瓷與金屬異質鍵合的一種工藝技術。首先通過絲網印刷法在陶瓷板材的表面涂覆上活性金屬焊料，再與無氧銅層裝夾，在真空釬焊爐中進行高溫焊接，然后刻蝕出圖形制作電路，最后再對表面圖形進行化學鍍。

AMB工藝流程

與DBC陶瓷基板相比，AMB陶瓷基板具有更高的結合強度和冷熱循環(huán)特性。目前，隨著電力電子技術的高速發(fā)展，高鐵上的大功率器件控制模塊對IGBT模塊封裝的關鍵材料——陶瓷覆銅板形成巨大需求，尤其是AMB基板逐漸成為主流應用。日本京瓷采用活性金屬焊接工藝制備出了氮化硅陶瓷覆銅基板，其耐溫度循環(huán)（-40~125℃）達到5000次，可承載大于300A的電流，已用于電動汽車、航空航天等領域。特別是，該產品采用活性金屬焊接工藝將多層無氧銅與氮化硅陶瓷鍵合，同時采用銅柱焊接實現垂直互聯，對IGBT模塊小型化、高可靠性等要求有較好的促進作用。

陶瓷基板特性分析

① 熱傳導率

熱導率代表了基板材料本身直接傳導熱能的一種能力，數值愈高代表其散熱能力愈好。在LED領域散熱基板最主要的作用就是在于，如何有效地將熱能從LED芯片傳導到系統(tǒng)散熱，以降低LED芯片的溫度，增加發(fā)光效率與延長LED壽命，因此，散熱基板熱傳導效果的優(yōu)劣就成為業(yè)界在選用散熱基板時，重要的評估項目之一。

② 操作環(huán)境溫度

操作環(huán)境溫度，主要是指產品在生產過程中，使用到最高工藝溫度，而對生產工藝而言，所使用的溫度愈高，相對的制造成本也愈高，且良率不易掌控。HTCC工藝本身即因為陶瓷粉末材料成分的不同，其工藝溫度約在1300~1600℃之間，而LTCC/DBC的工藝溫度亦約在850~1000℃之間。此外，HTCC與LTCC在工藝后必須疊層后再燒結成型，使得各層會有收縮比例問題，為解決此問題相關業(yè)者也在努力尋求解決方案中。

另一方面，DBC對工藝溫度精準度要求十分嚴苛，必須于溫度極度穩(wěn)定的1065~1085℃溫度范圍下，才能使銅層熔煉為共晶熔體，與陶瓷基板緊密結合，若生產工藝的溫度不夠穩(wěn)定，勢必會造成良率偏低的現象。而在工藝溫度與裕度的考量，DPC的工藝溫度僅需250~350℃左右的溫度即可完成散熱基板的制作，完全避免了高溫對于材料所造成的破壞或尺寸變異的現象，也排除了制造成本費用高的問題。

③ 工藝能力

工藝能力，主要是表示各種散熱基板的金屬線路是以何種工藝技術完成，由于線路制造/成型的方法直接影響了線路精準度、表面粗糙鍍、對位精準度…等特性，因此在高功率小尺寸的精細線路需求下，工藝分辨率便成了必須要考慮的重要項目之一。

LTCC與HTCC均是采用厚膜印刷技術完成線路制作，厚膜印刷本身即受限于網版張力問題，一般而言，其線路表面較為粗糙，且容易造成有對位不精準與累進公差過大等現象。此外，多層陶瓷疊壓燒結工藝，還有收縮比例的問題需要考量，這使得其工藝分辨率較為受限。而DBC雖以微影工藝制金屬線路，但因其工藝能力限制，金屬銅厚的下限約在150~300um之間，這使得其金屬線路的分辨率上限亦僅為150~300um之間（以深寬比1:1為標準）。

而DPC則是采用的薄膜工藝制作，利用了真空鍍膜、黃光微影工藝制作線路，使基板上的線路能夠更加精確，表面平整度高，再利用電鍍/電化學鍍沉積方式增加線路的厚度，DPC金屬線路厚度可依產品實際需求（金屬厚度與線路分辨率）而設計。一般而言，DPC金屬線路的分辨率在金屬線路深寬比為1:1的原則下約在10~50um之間。因此，DPC杜絕了LTCC/HTCC的燒結收縮比例及厚膜工藝的網版張網問題。

④ 陶瓷散熱基板之應用

陶瓷散熱基板會因應需求及應用上的不同，外型亦有所差別。另一方面，各種陶瓷基板也可依產品制造方法的不同，作出基本的區(qū)分。LTCC散熱基板在LED產品的應用上，大多以大尺寸高功率以及小尺寸低功率產品為主，基本上外觀大多呈現凹杯狀，且依客戶端的需求可制作出有導線架&沒有導線架兩種散熱基板，凹杯形狀主要是針對封裝工藝采用較簡易的點膠方式封裝成型所設計，并利用凹杯邊緣作為光線反射的路徑，但LTCC本身即受限于工藝因素，使得產品難以備制成小尺寸，再者，采用了厚膜制作線路，使得線路精準度不足以符合高功率小尺寸的LED產品。

而與LTCC工藝與外觀相似的HTCC，在LED散熱基板這一塊，尚未被普遍的使用，主要是因為HTCC采用1300~1600℃高溫干燥硬化，使生產成本的增加，相對的HTCC基板費用也高，因此對極力朝低成本趨向邁進LED產業(yè)而言，面臨了較嚴苛的考驗HTCC。

另一方面，DBC與DPC則與LTCC/HTCC不僅有外觀上的差異，連LED產品封裝方式亦有所不同，DBC/DPC均是屬于平面式的散熱基板，而平面式散熱基板可依客制化備制金屬線路加工，再根據客戶需求切割成小尺寸產品，輔以共晶/復晶工藝，結合已非常純熟的螢光粉涂布技術及高階封裝工藝技術鑄膜成型，可大幅的提升LED的發(fā)光效率。

然而，DBC產品因受工藝能力限制，使得線路分辨率上限僅為150~300um，若要特別制作細線路產品，必須采用研磨方式加工，以降低銅層厚度，但卻造成表面平整度不易控制與增加額外成本等問題，使得DBC產品不易于共晶/復晶工藝高線路精準度與高平整度的要求之應用。DPC利用薄膜微影工藝制備金屬線路加工，具備了線路高精準度與高表面平整度的的特性，非常適用于復晶/共晶接合方式的工藝，能夠大幅減少LED產品的導線截面積，進而提升散熱的效率。

審核編輯 ：李倩