大功率器件散熱的核“心”---陶瓷基板

電路板被很多人譽為電子產(chǎn)品之母，它是計算機、手機等消費電子產(chǎn)品的關(guān)鍵部件，在醫(yī)療、航空、新能源、汽車等行業(yè)有著廣泛應(yīng)用?？v觀全球技術(shù)發(fā)展簡史，每一次技術(shù)進步都直接或間接影響著全人類。在電路板誕生之前，電子設(shè)備都包含許多電線，它們不僅會糾纏在一起，占用大量空間，而且短路的情況也不罕見。這個問題對于電路相關(guān)的工作人員來說是個非常頭疼的問題。1925年，來自美國的Charles Ducas提出了一個前所未有的想法，即在絕緣基板上印刷電路圖案，隨后進行電鍍以制造用于布線的導(dǎo)體，專業(yè)術(shù)語“PCB”由此而來，這種方法使制造電器電路變得更為簡單。

當(dāng)今世界科技飛速發(fā)展促進電子器件向集成化、微型化、高功率密度的方向發(fā)展，因此給電子器件散熱帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。良好散熱效果依賴于優(yōu)異的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱界面材料、散熱基板、封裝制造工藝等。基板作為承載集成電路芯片的載體，與電路直接接觸，電路產(chǎn)生的熱量需要通過基板向外疏散。選擇一種兼具高熱導(dǎo)率與良好電絕緣性的基板材料成為解決當(dāng)下電子器件散熱問題的關(guān)鍵。

由于傳統(tǒng)覆銅板由于低的熱導(dǎo)率以及具有導(dǎo)電性限制了在當(dāng)今高功率器件中的應(yīng)用。因此開發(fā)出具有高熱導(dǎo)率和良好的電氣互連的基板材料成為了當(dāng)下的研究重點方向。目前市面上的PCB從材料大類上來分主要可以分為三種：普通基板、金屬基板、陶瓷基板。傳統(tǒng)的普通基板和金屬基板不能滿足當(dāng)下工作環(huán)境下的應(yīng)用。陶瓷基板具有絕緣性能好、強度高、熱膨脹系數(shù)小、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性能脫穎而出，是符合當(dāng)下高功率器件設(shè)備所需的性能要求。

01

介紹

陶瓷基板制備工藝流程多、流程復(fù)雜繁瑣，一款導(dǎo)熱性能優(yōu)異的陶瓷基板離不開性能優(yōu)異的粉體、精細(xì)的制備技術(shù)和嚴(yán)苛的測試。

1.1 陶瓷粉體

目前常用的高導(dǎo)熱陶瓷粉體原料有氧化鋁（Al2O3）、氮化鋁（AlN）、氮化硅（Si3N4）、碳化硅（SiC）和氧化鈹（BeO）等。隨著國家大力發(fā)展綠色環(huán)保方向，由于氧化鈹有毒性逐漸開始退出歷史的舞臺。碳化硅又因為其絕緣性差，無法應(yīng)用在微電子電路中。而Al2O3、AlN、Si3N4陶瓷粉體具有無毒、高溫穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱性好，以及與Si、SiC和GaAs等半導(dǎo)體材料相匹配的熱膨脹系數(shù)，得到了廣泛推廣應(yīng)用。幾種粉體的熱導(dǎo)率和綜合評價如下表所示，目前主流用于制備陶瓷基板的粉體原料還是以氧化鋁和氮化鋁為主。

來源：熱管理材料整理

市場中粉體的制備方法主要有硅粉直接氮化法、自蔓延高溫合成法、碳熱還原法。

（1）硅粉直接氮化法和自蔓延高溫合成法是比較主流的方法，但由于反應(yīng)溫度接近甚至超過原料的熔點，往往造成產(chǎn)物形貌不規(guī)則、ɑ相含量低、團聚嚴(yán)重，需要進一步破碎，在后續(xù)處理中容易引入其他雜質(zhì)；

（2）碳熱還原法是具有原料豐富、工藝簡單、成本低等優(yōu)點，非常適合大批量生產(chǎn)；其中碳熱還原法成為目前最常用的粉體制備技術(shù)之一。

1.2陶瓷基板制備工藝

流延成型技術(shù)是標(biāo)準(zhǔn)的濕法成型工藝，可一次性成型制備厚度范圍在幾十微米到毫米級別的陶瓷生坯，并通過進一步的層壓、脫脂、燒結(jié)形成陶瓷基片，主要應(yīng)用于電子基板、多層電容器、多層封裝、壓電陶瓷等。與傳統(tǒng)的粉末冶金干法制備工藝相比，流延工藝制備出的陶瓷薄片均勻性好、通透性高，在要求比較高的集成電路 領(lǐng)域深受歡迎。陶瓷基板常用的成型方法主要以流延成型為主。流延工藝的流程圖如下所示：來源：陶瓷材料流延成型工藝的研究進展

流延漿料是流延成型的重要組成部分，根據(jù)溶劑性質(zhì)的不同，流延漿料又分為有機流延成型工藝和水基流延成型工藝。（1）陶瓷粉體是流延漿料的主相，是坯片的主要成分， 影響著流延成品的導(dǎo)熱性、電阻率、介電常數(shù)、化學(xué)穩(wěn)定 性以及機械強度。陶瓷粉體的顆粒尺寸、粒度分布以及粉體的結(jié)晶形貌都對流延工藝以及流延膜的質(zhì)量有較大影響， 因此在選擇粉體的時候需要考慮以下特征：化學(xué)純度、顆粒尺寸、粉體形貌；（2）粘結(jié)劑作為流延漿料體系的唯一連續(xù)相，它能包裹住粉料顆粒，并固化形成三維立體結(jié)構(gòu)，增加流延膜的強度。粘結(jié)劑和增塑劑共同作用可以提高生坯片的強 度，并改善韌性與延展性，便于生坯片與載體膜的脫離以及后續(xù)加工；（3）粉體顆粒在漿料中的分散性和均勻性與流延膜的 品質(zhì)息息相關(guān)。解決粉體團聚的主要方式有物理分散與化學(xué)分散，而在漿料中加入分散劑是流延技術(shù)中最常用的手段；（4）除上述成分外，流延漿料還會加入一些功能性添加 劑來改善流延膜制備過程產(chǎn)生的缺陷，如消泡劑、潤滑 劑、均質(zhì)劑、絮凝劑、控流劑等；

1.4陶瓷燒結(jié)燒結(jié)是利用熱能使粉末坯體致密化的技術(shù)，其具體的定義是指多孔狀態(tài)的坯體在高溫條件下，表面積減小，孔隙率降低，力學(xué)性能（機械強度等）提高的致密化過程。坯體在燒結(jié)過程中要發(fā)生一系列的物理化變化，如膨脹，收縮，氣體的產(chǎn)生，液相的出現(xiàn)，舊晶相的消失，新晶相的形成等。在不同的溫度，氣氛條件下，所發(fā)生變化的內(nèi)容與程度也不相同，從而形成不同的晶相組成和顯微結(jié)構(gòu)，決定了陶瓷制品不同的質(zhì)量和性能。

燒結(jié)可分為有液相參加的燒結(jié)和純固相燒結(jié)兩類。燒結(jié)過程對陶瓷生產(chǎn)具有很重要的意義。為降低燒結(jié)溫度，擴大燒成范圍，通常加入一些添加物作助熔劑，形成少量液相，促進燒結(jié)。陶瓷燒結(jié)是陶瓷加工中的一種重要工藝，其過程分為三個階段：預(yù)燒階段、燒結(jié)階段和冷卻階段。

預(yù)燒階段：在這個階段，陶瓷制品會被放入爐子中進行預(yù)燒處理，用來去除陶瓷中的水分和有機物質(zhì)。高溫下，水分和有機物質(zhì)會被分解并釋放出來，讓制品干燥且有機物質(zhì)燃燒殆盡。這一階段的主要目的是為了減少燒結(jié)時產(chǎn)生的氣泡等缺陷。

燒結(jié)階段：在預(yù)燒之后，制品會被加熱到高溫下進行燒結(jié)。這個階段是陶瓷工藝中最關(guān)鍵的一步，也是最困難的一步。在高溫下，陶瓷顆粒會開始熔化和結(jié)合在一起，形成一個堅固的陶瓷結(jié)構(gòu)。這一階段需要控制好溫度、時間和壓力等因素，使得陶瓷能夠充分結(jié)合，而不會出現(xiàn)燒結(jié)不完全或者表面開裂等缺陷。

冷卻階段：在燒結(jié)完成后，制品需要進行冷卻，使得陶瓷結(jié)構(gòu)能夠逐漸穩(wěn)定下來。如果制品過早地被取出爐子，容易導(dǎo)致熱應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋。因此，一般會采取緩慢冷卻的方式，讓制品溫度逐漸降下來。在冷卻過程中，還需要將爐門緩慢地打開，逐漸將爐內(nèi)壓力和爐外壓力平衡，以避免制品瞬間受到外界壓力而發(fā)生破裂。

1.5 陶瓷材料的導(dǎo)熱性影響因素

高導(dǎo)熱性非金屬固體通常具備以下４個條件：構(gòu)成的原子要輕、原子間的結(jié)合力要強、晶格結(jié)構(gòu)要單純、晶格振動的對稱性要高。陶瓷材料的導(dǎo)熱性的影響因素：（1）原料粉體，原料粉體的純度、粒度、物相會對材料的熱導(dǎo)率、力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。由于非金屬的傳熱機制為聲子傳熱，當(dāng)晶格完整無缺陷時，聲子的平均自由程越大，熱導(dǎo)率越高，而晶格中的氧往往伴隨著空位、位錯等結(jié)構(gòu)缺陷，顯著地降低了聲子的平均自由程，導(dǎo)致熱導(dǎo)率降低；

（2）在燒結(jié)過程，添加的燒結(jié)助劑中可以與陶瓷粉體表面的原生氧化物發(fā)生反應(yīng)，形成低熔點的共晶熔液，利用液相燒結(jié)機理實現(xiàn)致密化。然而，燒結(jié)助劑所形成的晶界相自身的熱導(dǎo)率較低，對陶瓷熱導(dǎo)率具有不利影響，特別地，如氮化硅陶瓷常用的Al2O3燒結(jié)助劑，在高溫下會與氮化硅和其表面氧化物形成SiAlON固溶體，造成晶界附近的晶格發(fā)生畸變，對聲子傳熱產(chǎn)生阻礙，從而大幅度降低氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率。因此選用適合的燒結(jié)助劑，制定合理的配方體系是提升氮化硅熱導(dǎo)率的關(guān)鍵途徑.

02

陶瓷基板金屬化

目前導(dǎo)熱的陶瓷基板可分為HTCC（高溫共燒多層陶瓷）、LTCC（低溫共燒陶瓷）、DBC（直接鍵合銅陶瓷基板）和DPC（直接鍍銅陶瓷基板）、活性金屬纖焊陶瓷基板（AMB）等幾種形式，其特點如下。

來源：熱管理材料整理

對于大功率器件而言，基板除具備基本的機械支撐與電互連功能外，還要求具有高的導(dǎo)熱性能。因為HTCC/LTCC的熱導(dǎo)率較低，因此在高功率的器件以及IGBT模組的使用場景中散熱基板目前主要以DBC、DPC、AMB三種金屬化技術(shù)為主。

2.1DPC技術(shù)

DPC技術(shù)是先其制作首先將陶瓷基片進行前處理清洗，利用真空濺射方式在基片表面沉積 Ti/Cu 層作為種子層，接著以光刻、顯影、刻蝕工藝完成線路制作，最后再以電鍍/化學(xué)鍍方式增加線路厚度，待光刻膠去除后完成基板制作。關(guān)鍵技術(shù)涉及激光打技術(shù)、避免孔壁熔渣、鍍銅的一致性、填孔效果等。

來源：AIN應(yīng)用性能出眾，國產(chǎn)替代機遇顯著

DPC 技術(shù)具有如下優(yōu)點：(1)低溫工藝（300 ℃以下），完全避免了高溫對材料或線路結(jié)構(gòu)的不利影響，也降低了制造工藝成本；(2)采用薄膜與光刻顯影技術(shù)，使基板上的金屬線路更加精細(xì)（線寬尺寸 20~30 m，表面平整度低于0.3 m，線路對準(zhǔn)精度誤差小于±1%），因此 DPC 基板非常適合對準(zhǔn)精度要求較高的電子器件封裝。

2.2DBC技術(shù)

DBC是陶瓷基片與銅箔在高溫下（1065℃）共晶燒結(jié)而成，最后根據(jù)布線要求，以刻蝕方式形成線路。由于銅箔具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱能力，而氧化鋁能有效控制 Cu-Al2O3- Cu 復(fù)合體的膨脹，使 DBC 基板具有近似氧化鋁的熱膨脹系數(shù)。關(guān)鍵技術(shù)涉及鍵合工藝、如何減少孔隙、翹曲的控制、精確控溫、氧化層的控制等。

來源：AIN應(yīng)用性能出眾，國產(chǎn)替代機遇顯著

DBC 具有導(dǎo)熱性好、 絕緣性強、可靠性高等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于 IGBT、LD 和 CPV 封裝。DBC 缺點在于， 其利用了高溫下 Cu 與Al2O3間的共晶反應(yīng)，對設(shè)備和工藝控制要求較高，基板成本較高；由于Al2O3與 Cu 層間容易產(chǎn)生微氣孔，降低了產(chǎn)品抗熱沖擊性；由于銅箔在高溫下容易翹曲變形。

2.3AMB技術(shù)

AMB 技術(shù)是指，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(yīng)，從而實現(xiàn)陶瓷與金屬異質(zhì)鍵合的一種工藝技術(shù)。AMB陶瓷基板，首先通過絲網(wǎng)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(xué)鍍。關(guān)鍵技術(shù)涉及如何控制Ti的氧化和偏析、高溫下有機物的揮發(fā)導(dǎo)致孔洞和界面不致密的問題。來源：《熱管理材料》整理

AMB工藝是金屬釬料實現(xiàn)氮化鋁與無氧銅的高溫結(jié)合，以結(jié)合強度高、冷熱循環(huán)可靠性好等優(yōu)點，不僅具有更高的熱導(dǎo)率、更好的銅層結(jié)合力，而且還有熱阻更小、可靠性更高等優(yōu)勢。AMB陶瓷基板缺點在于工藝的可靠性很大程度上取決于活性釬料成分、焊工藝、舒焊層組織結(jié)構(gòu)等諸多關(guān)鍵因素，工藝難度大，而且還要兼顧成本方面的考慮。

03

應(yīng)用領(lǐng)域

3.1高鐵、新能源汽車、風(fēng)力、5G基站用IGBT模塊

由于 IGBT輸出功率高，發(fā)熱量大，散熱不良將損壞 IGBT 芯片，因此對 IGBT封裝而言，散熱是關(guān)鍵，必須選用陶瓷基板強化散熱。氮化鋁、氮化硅陶瓷基板具有熱導(dǎo)率高、與硅匹配的熱膨脹系數(shù)、高電絕緣等優(yōu)點，非常適用于 IGBT 以及功率模塊的封裝。廣泛應(yīng)用于軌道交通、航天航空、電動汽車、風(fēng)力、太陽能發(fā)電等領(lǐng)域。

3.2 LED封裝

縱觀LED技術(shù)發(fā)展，功率密度不斷提高，對散熱的要求也越來越高。由于陶瓷具有的高絕緣、高導(dǎo)熱和耐熱、低膨脹等特性，特別是采用通孔互聯(lián)技術(shù)，可有效滿足LED倒裝、共晶、COB(板上芯片)、CSP(芯片規(guī)模封裝)、WLP (圓片封裝)封裝需求，適合中高功率LED封裝。

來源：百度

3.3光伏/芯片模組

光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理，利用太陽能電池將太陽光直接轉(zhuǎn)化為電能。由于聚焦作用導(dǎo)致太陽光密度增加，芯片溫度升高，必須采用陶瓷基板強化散熱。實際應(yīng)用中，陶瓷基板表面的金屬層通過熱界面材料(TIM)分別與芯片和熱沉連接，熱量通過陶瓷基板快速傳導(dǎo)到金屬熱沉上，有效提高了系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換效率與可靠性。

04

行業(yè)分析

陶瓷基板具備散熱性好、耐熱性好、熱膨脹系數(shù)與芯片材料匹配、絕緣性好等優(yōu)點，被廣泛用于大功率電子模塊、航空航天、軍工電子等產(chǎn)品。高功率IGBT、SiC 功率器件搭載上車，刺激上游陶瓷基板的需求，推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展，近期多個公司宣布陶瓷基板項目的投產(chǎn)或擴建計劃。

5.1全球陶瓷基板市場火爆，市場規(guī)模穩(wěn)步增加

根據(jù)華西證劵研究所報告顯示，2020 年全球陶瓷基板市場規(guī)模達到 89 億美元，預(yù)計 2026 年全球規(guī)模將達到 172.9 億美元，漲幅達到 94.27%，市場前景廣闊。

來源：《熱管理材料》整理

5.2 高功率IGBT模塊持續(xù)推動DBC/AMB陶瓷基板市場擴大

DBC 陶瓷基板具有高強度、 導(dǎo)熱性能強以及結(jié)合穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)性能，而AMB 陶瓷基板是在 DBC 的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，結(jié)合強度相對更高。近年來隨著新能源汽車、光伏儲能行業(yè)的快速發(fā)展， IGBT 功率模塊的需求快速增長，對于 DBC、 AMB 陶瓷基板的需求也不斷增加。目前 DBC 陶瓷基板主要生產(chǎn)廠家有羅杰斯、賀利氏集團、高麗化工等；AMB 陶瓷基板主要生產(chǎn)廠家有羅杰斯、日本京瓷、日本丸和等。

5.3LED需求量提高

LED 芯片對于散熱要求極為苛刻，車載照明將進一步提升 AlN 基板的需求。目前單芯片 1W 大功率 LED 已產(chǎn)業(yè)化， 3W、 5W，甚至 10W 的單芯片大功率 LED 也已推出，并部分走向市場。這使得超高亮度 LED 的應(yīng)用面不斷擴大，從特種照明的市場領(lǐng)域逐步走向普通照明市場。由于 LED 芯片輸入功率的不斷提高，對這些功率型 LED 的封裝技術(shù)提出了更高的要求。而傳統(tǒng)的基板無法承載高功率的熱能，氮化鋁陶瓷具有良好的導(dǎo)熱和絕緣性能，能夠提高 LED 功率水平和發(fā)光效率。功率 LED 已經(jīng)在戶外大型看板、小型顯示器背光源、車載照明、室內(nèi)及特殊照明等方面獲得了大量應(yīng)用。DPC 陶瓷基板憑借其電路精度高且制備溫度低的特點，被廣泛用于高精度、小體積封裝產(chǎn)品中，在高功率發(fā)光二極管中被廣泛使用。數(shù)據(jù)顯示，2020 年 DPC 陶瓷基板全球市場規(guī)模達到 12 億美元，預(yù)計 2026 年達到 17 億美元。