高導(dǎo)熱絕緣材料 | 陶瓷基板DSC、DPC、DBC、AMB簡介

01

引言

新材料產(chǎn)業(yè)作為我國七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和“中國制造 2025”重點(diǎn)發(fā)展的十大領(lǐng)域之一，同時(shí)是 21 世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Σ?duì)未來發(fā)展有著巨大影響的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。當(dāng)下隨著人工智能、集成電路以及新能源領(lǐng)域的飛速發(fā)展，人們對(duì)電子元器件的要求也逐漸增高。

當(dāng)下，電子元器件逐漸向著小型化、高密度、多功能和高可靠性方向發(fā)展，功率密度隨之增加，散熱問題越來越嚴(yán)重。散熱不良將導(dǎo)致器件性能惡化、結(jié)構(gòu)損壞、分層或燒毀。統(tǒng)計(jì)表明，電子元器件由于熱損耗引起的失效高達(dá) 50%， 散熱成為威脅安全性和可靠性的棘手問題。為保證電子元器件工作過程的穩(wěn)定性，對(duì)電路板的散熱能力提出了更高的要求。

電子元器件熱管理包括封裝和系統(tǒng)性能兩個(gè)部分。從封裝角度出發(fā)，器件散熱主要依靠熱傳導(dǎo)方式，熱量沿著芯片-鍵合層-基板-散熱器傳導(dǎo)，最后通過對(duì)流耗散到空氣中。陶瓷基板作為大功率半導(dǎo)體器件重要的散熱通道，其選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)性能至關(guān)重要。因此選擇一種兼具高熱導(dǎo)率與良好力學(xué)性能的陶瓷基板材料成為解決散熱問題的關(guān)鍵。

圖1.IGBT模塊封裝結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)制備原理與工藝不同，平面陶瓷基板可分為薄膜陶瓷基板(TFC)、厚膜印刷陶瓷基板(TPC)、直接鍵合銅陶瓷基板(DBC)、直接敷鋁陶瓷基板(DBA)、直接電鍍銅陶瓷基板(DPC)、活性金屬焊接陶瓷基板(AMB)、直接濺射銅陶瓷基板(DSC)和激光活化金屬陶瓷基板(LAM)等。

陶瓷基板可廣泛應(yīng)用于大功率LED 照明、汽車大燈等車載激光雷達(dá)、大功率 LED 照明、半導(dǎo)體激光器、電力電子功率器件、微波、光通訊、VCSEL、射頻器件等領(lǐng)域，具有非常廣闊的市場前景。

02

工藝類型

陶瓷基板的生產(chǎn)過程較為復(fù)雜繁瑣，其主要體現(xiàn)在三個(gè)方面，包括粉體的制備、基板的制備以及金屬化的過程。接下來小編簡單的給大家介紹一下，粉體是通過怎么樣的價(jià)格流程可以成為功率器件散熱的核心產(chǎn)品——陶瓷基板。

圖3.氮化鋁基板加工流程示意圖

來源：DPC陶瓷基板國產(chǎn)化突破，下游多點(diǎn)開花成長空間廣闊

經(jīng)過以上的工藝流程，我們就可以得到白色的氮化鋁陶瓷基板。此時(shí)還并不能直接應(yīng)用在功率器件的模塊中，由于陶瓷是絕緣材料，需要給陶瓷進(jìn)行金屬化處理，處理后就可以得到功率器件散熱的核“芯”——陶瓷覆銅板，金屬化的工藝主要有以下幾類：

（1）TFC：利用磁控濺射、真空蒸鍍和電化學(xué)沉積等薄膜工藝在陶瓷基板表面形成金屬層，然后通過掩膜和刻蝕等工藝形成特定的金屬圖形。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(jié)合強(qiáng)度高。常用于薄膜工藝的陶瓷基片材料主要有Al2O3、AlN 和 BeO等。

薄膜陶瓷基板主要應(yīng)用于電流小、尺寸小、散熱要求高、布線精度要求高的器件封裝。經(jīng)高溫?zé)Y(jié)，樹脂粘合劑被燃燒掉，剩下的幾乎都是純金屬，由于玻璃質(zhì)粘合作用在陶瓷基板表面。燒結(jié)后的金屬層厚度為 10~20μ m，最小線寬為 0.3mm。由于技術(shù)成熟，工藝簡單，成本較低，TFC 在對(duì)圖形精度要求不高的電子封裝中得到一定應(yīng)用；

（2）TPC：TPC采用絲網(wǎng)印刷工藝印刷金屬布線層，制備工藝簡單，對(duì)加工設(shè)備和環(huán)境要求低，具有生產(chǎn)效率高、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。但由于絲網(wǎng)印刷工藝限制，TPC 基板無法獲得高精度線路，此外，為了降低燒結(jié)溫度，提高金屬層與陶瓷基片結(jié)合強(qiáng)度，通常在金屬漿料中添加少量玻璃相，這會(huì)不可避免地降低金屬布線層的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。因此厚膜印刷陶瓷基板僅應(yīng)用于對(duì)線路精度要求不高的電子器件封裝，如汽車電子封裝。

（3）DBC：是指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。

圖4.DBC工藝流程示意圖

來源：DPC陶瓷基板電鍍關(guān)鍵技術(shù)研究

DBC 具有導(dǎo)熱性好、 絕緣性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于 IGBT、LD 和 CPV 封裝。DBC 缺點(diǎn)在于， 其利用了高溫下 Cu 與Al2O3間的共晶反應(yīng)，對(duì)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。

（4）DBA：DBA是基于DBC工藝技術(shù)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(jié)構(gòu)與DBC 相似，也可以像PCB一樣蝕刻出各式各樣的圖形。

圖4.DBA工藝流程示意圖

來源：DBA直接覆鋁陶瓷基板：功率器件封裝材料來勢(shì)洶洶?。?/span>

因?qū)ρ鹾坑袊?yán)格的限制，DBA對(duì)設(shè)備和工藝控制要求較高，基板制作成本較高，且表面鍵合鋁厚度一般在100μm 以上，不適合精細(xì)線路的制作，使其推廣和應(yīng)用受到限制。

（5）DPC：是先其制作首先將陶瓷基片進(jìn)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；

圖5.DPC工藝流程示意圖

來源：DPC陶瓷基板電鍍關(guān)鍵技術(shù)研究

DPC技術(shù)具有如下特點(diǎn)：(1)低溫工藝（300 ℃以下），完全避免了高溫對(duì)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(duì)準(zhǔn)精度誤差小于±1%），因此DPC基板非常適合對(duì)準(zhǔn)精度要求較高的電子器件封裝。

（6）AMB：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(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬異質(zhì)鍵合的一種工藝技術(shù)；

圖6.AMB工藝流程示意圖

來源：洞見熱管理整理

AMB工藝是金屬釬料實(shí)現(xiàn)氮化鋁與無氧銅的高溫結(jié)合，以結(jié)合強(qiáng)度高、冷熱循環(huán)可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，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(shì)。AMB陶瓷基板缺點(diǎn)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。
（7）DSC：DSC（Direct Sputtering Ceramic）技術(shù)是指使用高離化、高沉積效率的新型持續(xù)高功率磁控濺射技術(shù)（C-HPMS）直接在陶瓷基板表面沉積一定厚度的金屬導(dǎo)電層的新型金屬化工藝；

相對(duì)DPC技術(shù)，采用DSC技術(shù)制備陶瓷封裝基板具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：采用DSC技術(shù)制備的金屬導(dǎo)電層與陶瓷基板之間結(jié)合強(qiáng)度大幅度提高、金屬導(dǎo)電層表面平滑、組織結(jié)構(gòu)致密，導(dǎo)電性好、全真空加工環(huán)境、綠色環(huán)保、生產(chǎn)效率高；
（8）LAM：通過激光束加熱活化需要金屬化的陶瓷基板表面，然后通過電鍍或化學(xué)鍍形成金屬化布線。該工藝無需采用光刻、顯影、刻蝕等微加工工藝，通過激光直寫制備線路層，且線寬由激光光斑決定，精度高，可在三維結(jié)構(gòu)陶瓷表面制備線路層，突破了傳統(tǒng)平面陶瓷基板金屬化的限制，金屬層與陶瓷基片結(jié)合強(qiáng)度高，線路層表面平整，粗糙度在納米級(jí)別。但其難以大批量生產(chǎn)，價(jià)格極高，目前主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。

03

技術(shù)挑戰(zhàn)

3.1 粉體
功能陶瓷所用的粉體作為上游的重點(diǎn)原材料之一，對(duì)整個(gè)功能陶瓷的生產(chǎn)及其成本控制有著較大的影響。當(dāng)下仍有許多重要的功能陶瓷粉體無法達(dá)到高品質(zhì)的生產(chǎn)要求，仍然依賴進(jìn)口。陶瓷粉體的化學(xué)成分、顆粒度、結(jié)構(gòu)、以及整個(gè)制備過程中容易發(fā)生團(tuán)聚和吸潮等現(xiàn)象直接影響后續(xù)批量化制備產(chǎn)品的性能和可靠性。全球超過 70%的電子陶瓷粉體材料被 Sakai 化學(xué)、NCI 化學(xué)、日本德山等日本企業(yè)壟斷，尤其是高端功能陶瓷粉體材料。
伴隨中國上游陶瓷粉末制備核心技術(shù)的突破，已有部分本土企業(yè)在高品質(zhì)氧化物陶瓷粉未產(chǎn)業(yè)化方面取得新的進(jìn)展。其中，粉體的分散性、均勻性、結(jié)晶性、抗老化性方面已經(jīng)達(dá)到國際領(lǐng)先水平，綜合性能得到中游客戶認(rèn)可，價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯，可逐步替代國外同類產(chǎn)品。

3.2 陶瓷白片

從粉體到白片通常采用的是流延成型的工藝，流延成型的工藝為整個(gè)行業(yè)的發(fā)展提供了批量化生產(chǎn)的道路之一。流延成立具有工藝簡單可控，操作簡單可連續(xù)生產(chǎn)等特點(diǎn)，是常用的成型方法之一。但是該工藝的影響因素較多，例如分散劑、粘結(jié)劑、塑化劑以及脫泡劑的選擇配比，以及流延的速度、溫度等等是影響流延的生瓷帶品質(zhì)的因素。此外，整個(gè)工藝過程中最大的難度之一就是基板的燒結(jié)，例如燒結(jié)過程中燒結(jié)助劑的選擇與添加量、反應(yīng)條件、燒結(jié)裝備等等因素對(duì)于產(chǎn)品的質(zhì)量有著決定性的影響。

3.3 客戶認(rèn)證
經(jīng)過從粉體到覆銅板的復(fù)雜的工藝流程加工后，最終得到了陶瓷覆銅板的成品。通常封裝器件封裝完成后發(fā)生故障事無法返修，只能對(duì)整個(gè)器件進(jìn)行更換。因此對(duì)于下游的客戶來說陶瓷基板產(chǎn)品的選用會(huì)非常的謹(jǐn)慎和嚴(yán)苛，尤其是在汽車、航空航天等領(lǐng)域，對(duì)陶瓷基板的理化性能測(cè)試以及老化和極端環(huán)境測(cè)試可能長達(dá)一年甚至更久。更重要的是下游客戶對(duì)于陶瓷基板的采購有著不同的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，這些產(chǎn)品需按照客戶的要求進(jìn)行認(rèn)證。我國該領(lǐng)域的起步發(fā)展較晚，國外企業(yè)已經(jīng)在各個(gè)下游用戶的供應(yīng)鏈中占據(jù)非常穩(wěn)定的地位，對(duì)于用戶來說一般選用了陶瓷基板的供應(yīng)商后，如果要更換供應(yīng)商是非常困難的一件事，因此一般下游客戶不會(huì)輕易更換供應(yīng)商。