陶瓷邂逅金屬化新技術(shù)，未來5G再下一城

為什么說”5G時(shí)代，是陶瓷時(shí)代”？

5G通信技術(shù)已成為世界各國發(fā)展的重要戰(zhàn)略，不管是在關(guān)鍵元器件、上游材料制備還是在網(wǎng)絡(luò)部署等方面都開始積極布局，搶先發(fā)展先機(jī)。而隨著5G時(shí)代的到來，半導(dǎo)體芯片功率不斷增加，輕型化和高集成度的發(fā)展趨勢日益明顯，散熱問題的重要性也越來越突出，這無疑對封裝散熱材料提出了更為嚴(yán)苛的要求。

陶瓷作為新興的電子材料，具備較高的導(dǎo)熱性、低介電損耗、絕緣性、耐熱性、強(qiáng)度以及與芯片匹配的熱膨脹系數(shù)，是功率型電子元器件理想的封裝散熱材料，成為國內(nèi)外企業(yè)進(jìn)軍5G時(shí)代的重要選擇。

金屬化助力陶瓷突破應(yīng)用難題

陶瓷材料（包括鹽類陶瓷、碳化硅等）在應(yīng)用場景中，經(jīng)常需要進(jìn)行焊接、刻蝕線路或者實(shí)現(xiàn)屏蔽等等，但是陶瓷材料與金屬焊接往往存在諸多難點(diǎn)：

1.大多數(shù)陶瓷類材料與金屬層的結(jié)合難度較大，且熱膨脹系數(shù)差異較大，極易導(dǎo)致分離、起泡、產(chǎn)生裂紋等問題。

2.氮化鋁、碳化硅、金剛石等高熱導(dǎo)材料，當(dāng)下在發(fā)熱器件與冷卻單元之間最佳連接方式是焊接，如金錫焊接；焊接溫度較高，在高低溫沖擊下，不同熱膨脹系數(shù)的材料界面極易產(chǎn)生分離，造成失效及熱傳遞失效；

3.大部分陶瓷導(dǎo)電性差，甚至不導(dǎo)電，很難用電焊的方法。

4.由于陶瓷材料多為共價(jià)晶體，不易產(chǎn)生變形，經(jīng)常發(fā)生脆性斷裂。目前大多利用中間層降低焊接溫度，間接擴(kuò)散法進(jìn)行焊接。

5.陶瓷與金屬焊接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與普通焊接有所區(qū)別，通常分為平封結(jié)構(gòu)、套封結(jié)構(gòu)、針封結(jié)構(gòu)和對封結(jié)構(gòu)，其中套封結(jié)構(gòu)效果最好，這些接頭結(jié)構(gòu)制作要求都很高。

因此需要對陶瓷材料進(jìn)行金屬化，即在陶瓷表面敷一層與陶瓷粘結(jié)牢固而又不易被熔化的金屬薄膜，使其導(dǎo)電，隨后用焊接工藝與金屬引線或其他金屬導(dǎo)電層相連接而成為一體。

如何對高熱導(dǎo)率陶瓷材料進(jìn)行強(qiáng)結(jié)合金屬化，應(yīng)對高溫焊接及應(yīng)對長期使用過程中高低溫振蕩，成為亟待深入研究的熱門話題。

目前常用金屬化方式有厚膜金屬化、薄膜金屬化、直接敷銅法金屬化、共燒法金屬化(HTCC/LTCC)、化學(xué)鍍金屬化等；

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厚膜金屬化

厚膜法是在基板上通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)、微筆直寫技術(shù)和噴墨打印技術(shù)等微流動(dòng)直寫技術(shù)在基板上直接沉積導(dǎo)電漿料，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)形成導(dǎo)電線路和電極的方法，該方法適用于大部分陶瓷基板。

厚膜導(dǎo)電漿料一般由尺寸微米甚至納米級的金屬粉末和少量玻璃粘結(jié)劑再加上有機(jī)溶劑組成。在高溫下漿料中的玻璃粘結(jié)劑與基板相結(jié)合，使導(dǎo)電相粘附在基板表面，形成導(dǎo)電線路。

厚膜法工藝簡單，但受限于導(dǎo)電漿料和絲網(wǎng)尺寸，制備的導(dǎo)線最小線寬難以低于60μm，并且無法制作三維圖形，因此不適合小批量、精細(xì)基板的生產(chǎn)。并且，采用厚膜法成形的導(dǎo)電線路電學(xué)性能較差，因此采用厚膜法的陶瓷基板僅能用于對功率和尺寸要求較低的電子器件中。

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薄膜金屬化

薄膜金屬化法采用濺射鍍膜等真空鍍膜法使膜材料和基板結(jié)合在一起，通常在多層結(jié)構(gòu)基板中，基板內(nèi)部金屬和表層金屬不盡相同，陶瓷基板相接觸的薄膜金屬應(yīng)該具有反應(yīng)性好、與基板結(jié)合力強(qiáng)的特性，表面金屬層多選擇電導(dǎo)率高、不易氧化的金屬。

由于是氣相沉積，原則上任何金屬都可以成膜，任何基板都可以金屬化，而且沉積的金屬層均勻，結(jié)合強(qiáng)度高。但薄膜金屬化需要后續(xù)圖形化工藝實(shí)現(xiàn)金屬引線的圖形制備，成本較高。

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直接敷銅法(Directbondedcopper，DBC)

DBC是在陶瓷表面(主要是Al2O3和AlN)鍵合銅箔的一種金屬化方法，它是隨著板上芯片(COB)封裝技術(shù)的興起而發(fā)展出來的一種新型工藝。其基本原理是在Cu與陶瓷之間引進(jìn)氧元素，然后在1065～1083℃時(shí)形成Cu/O共晶液相，進(jìn)而與陶瓷基體及銅箔發(fā)生反應(yīng)生成CuAlO2或Cu(AlO2)2，并在中間相的作用下實(shí)現(xiàn)銅箔與基體的鍵合。

直接覆銅法利用高溫熔融擴(kuò)散工藝將陶瓷基板與高純無氧銅覆接到一起，所形成的金屬層具有導(dǎo)熱性好、附著強(qiáng)度高、機(jī)械性能優(yōu)良、便于刻蝕、絕緣性及熱循環(huán)能力高的優(yōu)點(diǎn)。

DBC技術(shù)主要的缺點(diǎn)是銅箔厚度較大，后續(xù)通過化學(xué)蝕刻過程很難得到高精度導(dǎo)線，而且界面氧元素難以控制，銅箔與陶瓷之間容易出現(xiàn)氣孔，導(dǎo)致最終器件性能不穩(wěn)定，還有待于進(jìn)一步的基礎(chǔ)技術(shù)研究。另外，受限于技術(shù)原理，銅箔敷接的方式無法實(shí)現(xiàn)通孔金屬化。

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共燒法(HTCC/LTCC)

共燒法是很常用的一種多層陶瓷燒結(jié)工藝，內(nèi)部可以布線，表層可以金屬化。一般共燒陶瓷有兩種，一種是HTCC(高溫共燒工藝)，一種是LTCC(低溫共燒工藝)。

HTCC需要用耐高溫的金屬顆粒做導(dǎo)電漿料，比如鎢、鉬，鎢的熔點(diǎn)3400度，鉬的熔點(diǎn)2600度，都耐得住1500多度的陶瓷燒結(jié)點(diǎn)，但是這倆金屬的導(dǎo)電率不太好。而且，HTCC需要很高的燒結(jié)溫度，使用者已經(jīng)極少，基本被LTCC代替。

LTCC是里邊放入玻璃材料，讓整體燒結(jié)的溫度降低，低于900度，好處就是可以用一些以前高溫?zé)Y(jié)沒辦法使用的金屬，比如金銀銅，金的熔點(diǎn)是1064℃，銀是960℃，銅是1083℃，如果這些金屬在1500℃下做高溫?zé)Y(jié)，就熔了，無法形成金屬線。

LTCC由于采用厚膜印刷技術(shù)完成線路制作，線路表面較為粗糙，對位不精準(zhǔn)。而且，多層陶瓷疊壓燒結(jié)工藝還有收縮比例的問題，這使得其工藝解析度受到限制，LTCC陶瓷基板的推廣應(yīng)用受到極大挑戰(zhàn)。

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化學(xué)鍍

化學(xué)鍍法是指在沒有外電流通過，利用還原劑將溶液中的金屬離子還原在呈催化活性的物體表面，使之形成金屬鍍層?；瘜W(xué)鍍法金屬化機(jī)理主要是機(jī)械聯(lián)鎖結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度很大程度上依賴于基體表面的粗糙度，在一定范圍內(nèi)，基體表面的粗糙度越大，結(jié)合強(qiáng)度越高。在AlN陶瓷表面化學(xué)鍍Ni-P合金，先將AlN基片用超聲波清洗，去除表面雜質(zhì)，置于NaOH溶液中腐蝕，再置于含鎳鹽的鍍液中進(jìn)行化學(xué)鍍。

化學(xué)鍍優(yōu)點(diǎn)是：設(shè)備簡單，成本低廉，無需二次高溫處理，易于大規(guī)模生產(chǎn)；缺點(diǎn)是：AlN陶瓷表面與金屬層結(jié)合強(qiáng)度不高。

陶瓷金屬化新技術(shù)，開啟5G新時(shí)代

陶瓷金屬化的方法眾多，但都各自存在一定的性能、成本及應(yīng)用的限制，如何創(chuàng)新工藝，攻克難點(diǎn)，打破瓶頸，是目前國內(nèi)外企業(yè)爭相布局、搶占高地的焦點(diǎn)。

戴爾蒙德科技已創(chuàng)新研發(fā)出高導(dǎo)熱陶瓷材料表面金屬化新技術(shù)——新型HE-ION高能離子沉積工藝，這種金屬化技術(shù)既具備超強(qiáng)的金屬層結(jié)合力，耐高溫焊接，且表面光潔度高，有利于精密裝配及電學(xué)性能；該工藝溫度較低，對陶瓷基材形成保護(hù)，避免應(yīng)力集聚。

戴爾蒙德新型HE-ION高能離子沉積工藝憑借其強(qiáng)結(jié)合力、高可焊性的特性，可廣泛應(yīng)用在:

1、氮化鋁、氧化等傳統(tǒng)熱沉材料以及碳化硅、金剛石等高熱導(dǎo)率材料金屬化

2、陶瓷基板金屬化

3、陶瓷天線金屬化

4、玻璃及導(dǎo)電玻璃材料金屬化

5、陶瓷濾波器金屬化(替代銀漿工藝)

陶瓷金屬化的研究一直在創(chuàng)新且從未停止，只有不斷的攻堅(jiān)研發(fā)，才能更加符合數(shù)字化、小型化、柔性化、低能耗化、多功能化、高可靠性化的未來發(fā)展方向，陶瓷金屬化技術(shù)是一種更可行的選擇，也是今后電子封裝材料可持續(xù)發(fā)展的重要方向。

關(guān)于戴爾蒙德

戴爾蒙德科技位于深圳福田保稅區(qū)騰飛工業(yè)大廈（前身惠州戴爾蒙德科技有限公司，成立于2016年），旗下四家分子公司及一家新材料研究院，分布于深圳、惠州、無錫和寧波，是專業(yè)從事超硬材料和納米涂層材料研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的國家級高新技術(shù)企業(yè)、科技型中小企業(yè)、重合同守信用企業(yè)。擁有一支包括金剛石領(lǐng)域?qū)＜医淌凇⒉┦?、碩士的高端研究團(tuán)隊(duì)，以及一流的研發(fā)條件，擁有專利60余項(xiàng)。

戴爾蒙德專業(yè)從事CVD納米金剛石涂層、PVD復(fù)合鍍膜、單晶金剛石、超硬刀具等超硬材料基礎(chǔ)性研究及制備工藝研究。目前擁有惠州CVD納米金剛石涂層產(chǎn)業(yè)化基地、刀具生產(chǎn)基地、PVD復(fù)合鍍膜中心以及深圳產(chǎn)學(xué)研基地和重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，并與國內(nèi)多所知名高校進(jìn)行產(chǎn)學(xué)研合作。

戴爾蒙德?lián)碛幸涣鞯腃VD納米金剛石涂層研發(fā)和檢測條件，以及PVD高能物理中心，針對涂層技術(shù)的多領(lǐng)域應(yīng)用展開研究和產(chǎn)品開發(fā)。

核心產(chǎn)品包括：納米金剛石涂層PCB鉆針及鑼刀、Tac潤滑鍍膜PCB鉆針及鑼刀、KC復(fù)合耐磨涂層PCB硬板鉆針、金剛石涂層石墨刀具、涂層義齒車針、玻璃陶瓷義齒車針，以及針對復(fù)合材料、陶瓷材料、玻璃材料等表面各類涉及加硬、導(dǎo)電、屏蔽、導(dǎo)熱等功能的涂層加工。產(chǎn)業(yè)化技術(shù)已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)全球領(lǐng)先，與多家上市公司客戶成為戰(zhàn)略合作伙伴，成為利用高端涂層技術(shù)進(jìn)行新材料及工具革新的中國力量。