摘要：隨著功率器件特別是第三代半導(dǎo)體的崛起與應(yīng)用，半導(dǎo)體器件逐漸向大功率、小型化、集成化、多功能等方向發(fā)展，對(duì)封裝基板性能也提出了更高要求。陶瓷基板（又稱陶瓷電路板）具有熱導(dǎo)率高、耐熱性好、熱膨脹系數(shù)低、機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性好、耐腐蝕、抗輻射等特點(diǎn)，在電子器件封裝中得到廣泛應(yīng)用。本文分析了常用陶瓷基片材料（包括Al2O3、AlN、Si3N4、BeO、SiC和BN等）的物理特性，重點(diǎn)對(duì)各種陶瓷基板（包括薄膜陶瓷基板TFC、厚膜印刷陶瓷基板TPC、直接鍵合陶瓷基板DBC、直接電鍍陶瓷基板DPC、活性金屬焊接陶瓷基板AMB、激光活化金屬陶瓷基板LAM以及各種三維陶瓷基板等）的制備原理、工藝流程、技術(shù)特點(diǎn)和具體應(yīng)用等進(jìn)行了論述，最后對(duì)電子封裝陶瓷基板發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

第一代半導(dǎo)體以硅 （Si）、鍺 （Ge） 材料為代表，主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)運(yùn)算領(lǐng)域，奠定了微電子產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。第二代半導(dǎo)體以砷化鎵 （GaAs）、磷化銦 （InP） 為代表，主要應(yīng)用于通信領(lǐng)域，用于制作高性能微波、毫米波及發(fā)光器件，奠定了信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。隨著技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用需要的不斷延伸，二者的局限性逐漸體現(xiàn)出來(lái)，難以滿足高頻、高溫、高功率、高能效、耐惡劣環(huán)境以及輕便小型化等使用需求。

以碳化硅 （SiC） 和氮化鎵 （GaN） 為代表的第三代半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大、臨界擊穿電壓高、熱導(dǎo)率高、載流子飽和漂移速度大等特點(diǎn)，其制作的電子器件可在 300°C 甚至更高溫度下穩(wěn)定工作 （又稱為功率半導(dǎo)體或高溫半導(dǎo)體），是固態(tài)光源 （如 LED）、激光器 （LD）、電力電子 （如IGBT）、聚焦光伏 （CPV）、微波射頻 （RF） 等器件的“核芯”，在半導(dǎo)體照明、汽車電子、新一代移動(dòng)通信 （5G）、新能源與新能源汽車、高速軌道交通、消費(fèi)類電子等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，有望突破傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)瓶頸，與第一代、第二代半導(dǎo)體技術(shù)互補(bǔ)，在光電器件、電力電子、汽車電子、航空航天、深井鉆探等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值，對(duì)節(jié)能減排、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、催生新經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)將發(fā)揮重要作用。

伴隨著功率器件 （包括 LED、LD、IGBT、CPV 等） 不斷發(fā)展，散熱成為影響器件性能與可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)于電子器件而言，通常溫度每升高 10°C，器件有效壽命就降低 30% ~ 50%。因此，選用合適的封裝材料與工藝、提高器件散熱能力就成為發(fā)展功率器件的技術(shù)瓶頸。以大功率 LED 封裝為例，由于輸入功率的 70% ~ 80% 轉(zhuǎn)變成為熱量 （只有約 20% ~ 30% 轉(zhuǎn)化為光能），且 LED 芯片面積小，器件功率密度很大 （大于 100 W/cm2），因此散熱成為大功率 LED 封裝必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。如果不能及時(shí)將芯片發(fā)熱導(dǎo)出并消散，大量熱量將聚集在 LED 內(nèi)部，芯片結(jié)溫將逐步升高，一方面使 LED 性能降低 （如發(fā)光效率降低、波長(zhǎng)紅移等），另一方面將在 LED 器件內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，引發(fā)一系列可靠性問(wèn)題 （如使用壽命、色溫變化等）。

封裝基板主要利用材料本身具有的高熱導(dǎo)率，將熱量從芯片 （熱源） 導(dǎo)出，實(shí)現(xiàn)與外界環(huán)境的熱交換。對(duì)于功率半導(dǎo)體器件而言，封裝基板必須滿足以下要求：

（1） 高熱導(dǎo)率。目前功率半導(dǎo)體器件均采用熱電分離封裝方式，器件產(chǎn)生的熱量大部分經(jīng)由封裝基板傳播出去，導(dǎo)熱良好的基板可使芯片免受熱破壞。

（2） 與芯片材料熱膨脹系數(shù)匹配。功率器件芯片本身可承受較高溫度，且電流、環(huán)境及工況的改變均會(huì)使其溫度發(fā)生改變。由于芯片直接貼裝于封裝基板上，兩者熱膨脹系數(shù)匹配會(huì)降低芯片熱應(yīng)力，提高器件可靠性。

（3） 耐熱性好，滿足功率器件高溫使用需求，具有良好的熱穩(wěn)定性。

（4） 絕緣性好，滿足器件電互連與絕緣需求。

（5） 機(jī)械強(qiáng)度高，滿足器件加工、封裝與應(yīng)用過(guò)程的強(qiáng)度要求。

（6） 價(jià)格適宜，適合大規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用。

目前常用電子封裝基板主要可分為高分子基板、金屬基板 （金屬核線路板，MCPCB） 和陶瓷基板幾類。對(duì)于功率器件封裝而言，封裝基板除具備基本的布線 （電互連） 功能外，還要求具有較高的導(dǎo)熱、耐熱、絕緣、強(qiáng)度與熱匹配性能。因此，高分子基板 （如 PCB） 和金屬基板 （如 MCPCB） 使用受到很大限制；而陶瓷材料本身具有熱導(dǎo)率高、耐熱性好、高絕緣、高強(qiáng)度、與芯片材料熱匹配等性能，非常適合作為功率器件封裝基板，目前已在半導(dǎo)體照明、激光與光通信、航空航天、汽車電子、深海鉆探等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

本文主要介紹幾種常用陶瓷基板及其制備方法，并對(duì)陶瓷基板技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

01 陶瓷基片材料

作為封裝基板，要求陶瓷基片材料具有如下性能：

（1） 熱導(dǎo)率高，滿足器件散熱需求；

（2） 耐熱性好，滿足功率器件高溫 （大于 200°C） 應(yīng)用需求；

（3） 熱膨脹系數(shù)匹配，與芯片材料熱膨脹系數(shù)匹配，降低封裝熱應(yīng)力；

（4） 介電常數(shù)小，高頻特性好，降低器件信號(hào)傳輸時(shí)間，提高信號(hào)傳輸速率；

（5） 機(jī)械強(qiáng)度高，滿足器件封裝與應(yīng)用過(guò)程中力學(xué)性能要求；

（6） 耐腐蝕性好，能夠耐受強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、沸水、有機(jī)溶液等侵蝕；

（7） 結(jié)構(gòu)致密，滿足電子器件氣密封裝需求；

（8） 其他性能要求，如對(duì)于光電器件應(yīng)用，還對(duì)陶瓷基片材料顏色、反光率等提出了要求。

目前，常用電子封裝陶瓷基片材料包括氧化鋁 （Al2O3）、氮化鋁 （AlN）、氮化硅 （Si3N4 ）、氧化鈹 （BeO）等。下面分別介紹其性能與技術(shù)特點(diǎn)。

1.1 氧化鋁 （Al2O3）

氧化鋁陶瓷呈白色，熱導(dǎo)率為 20 W/（m·K） ~ 30 W/（m·K），25°C ~ 200°C 溫度范圍內(nèi)熱膨脹系數(shù)為 7.0×10-6/°C ~8.0×10-6/°C，彈性模量約為 300GPa，抗彎強(qiáng)度為 300MPa~400MPa，介電常數(shù)為10，其粉料與樣品如圖 1 所示。

圖1 （a） Al2O3 陶瓷粉末和 （b） Al2O3 陶瓷基片

氧化鋁陶瓷基片成型方法主要有軋膜法、流延法和凝膠注膜法等。其中后兩種方法采用去離子水代替有機(jī)溶劑，既可降低成本，也有利于環(huán)保，是 Al2O3陶瓷片制備主要研究方向之一。

由于Al2O3 晶格能較大，離子鍵較強(qiáng)，因此燒結(jié)溫度較高，95%Al2O3 陶瓷燒結(jié)溫度為 1650°C~1700°C，99% Al2O3 陶瓷燒結(jié)溫度則高達(dá) 1800°C。如此高的燒結(jié)溫度不僅導(dǎo)致制作成本偏高，而且所得到的產(chǎn)品晶粒粗大，氣孔難以排除，導(dǎo)致Al2O3 陶瓷氣孔率增加，力學(xué)性能降低。

研究表明，在原料中加入適量添加劑可降低燒結(jié)溫度，降低陶瓷氣孔率，提高陶瓷材料致密性與熱導(dǎo)率。常用添加劑有生成液相型燃燒助劑 （如 Si、CaO、SrO 和 BaO 等堿金屬氧化物）、生成固溶體型燒結(jié)助劑 （如 TiO2、MnO2、Fe2O3和Cr2O3等） 以及稀土燒結(jié)助劑 （如 Y2O3、La2O3、Sm2O3 以及 Nd2O3 等稀土氧化物）。

根據(jù) Al2O3 粉料與添加劑的不同含量，可將 Al2O3陶瓷分為 75 瓷、85 瓷、96 瓷、99 瓷等不同牌號(hào)。

氧化鋁陶瓷具有原料來(lái)源豐富、價(jià)格低廉、絕緣性高、耐熱沖擊、抗化學(xué)腐蝕及機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，是一種綜合性能較好的陶瓷基片材料，占陶瓷基片材料總量的 80% 以上。但由于其熱導(dǎo)率相對(duì)較低 （99% 氧化鋁熱導(dǎo)率約為 30 W/（m·K），熱膨脹系數(shù)較高，一般應(yīng)用在汽車電子、半導(dǎo)體照明、電氣設(shè)備等領(lǐng)域。

1.2 氮化鋁 （AlN）

氮化鋁材料呈灰白色 （如圖 2 所示），屬于六方晶系，是以 ［AlN4］ 四面體為結(jié)構(gòu)單元的纖鋅礦型共價(jià)鍵化合物。該結(jié)構(gòu)決定了其具有優(yōu)良的熱學(xué)、電學(xué)和力學(xué)性能。AlN 陶瓷理論熱導(dǎo)率可達(dá)320 W/（m·K），其商用產(chǎn)品熱導(dǎo)率一般為 180 W/（m·K） ~260 W/（m·K），25°C~200°C 溫度范圍內(nèi)熱膨脹系數(shù)為 4×10-6/°C （與 Si 和 GaAs 等半導(dǎo)體芯片材料基本匹配），彈性模量為 310 GPa，抗彎強(qiáng)度為 300 MPa ~ 340 MPa，介電常數(shù)為 8~10。

圖 2 （a） AlN 陶瓷粉末和 （b） AlN 陶瓷基片

AlN 陶瓷燒結(jié)同樣需要燒結(jié)助劑來(lái)改善性能，提高質(zhì)量。常用助燒劑有Y2O3、CaO、Li2O、BaO、MgO、SrO、La2O3 、HfO2和 CeO2 等 。

助燒劑的主要作用有兩方面：一是形成低熔點(diǎn)物相，實(shí)現(xiàn)液相燒結(jié)進(jìn)而降低燒結(jié)溫度；二是與晶格中的雜質(zhì)氧發(fā)生反應(yīng)，使晶格完整化，進(jìn)而提高陶瓷性能。一般而言，二元或多元燒結(jié)助劑往往可以獲得更好的燒結(jié)效果。助燒劑加入方式有兩種，一是直接添加，另一種是以可溶性硝酸鹽形式制成前驅(qū)體原位生產(chǎn)燒結(jié)助劑。

傳統(tǒng) AlN 陶瓷成型方法有模壓、等靜壓和熱壓等，但這些方法生產(chǎn)周期長(zhǎng)、效率低、制品各方向受力不均勻，無(wú)法滿足電子封裝需求。近年來(lái)業(yè)界逐步開(kāi)發(fā)了流延成型、注凝成型、注射成型等工藝。其中，流延法主要適用于制備片狀產(chǎn)品，分為有機(jī)和無(wú)機(jī)體系。相對(duì)而言，有機(jī)流延體系具有溶劑選擇范圍廣、干燥時(shí)間短、防止粉體水化等特點(diǎn)，但常用的醇、酮及苯等有機(jī)溶劑具有一定毒性，生產(chǎn)受到一定限制。

因此，目前行業(yè)內(nèi)主要采用水基流延成型法，但也存在坯體干燥易起泡和變形、燒結(jié)易開(kāi)裂以及制品表面不光滑等問(wèn)題。氮化鋁陶瓷熱導(dǎo)率為氧化鋁陶瓷的 6~8 倍，但熱膨脹系數(shù)只有其 50%，此外還具有絕緣強(qiáng)度高、介電常數(shù)低、耐腐蝕性好等優(yōu)勢(shì)。除了成本較高外，氮化鋁陶瓷綜合性能均優(yōu)于氧化鋁陶瓷，是一種非常理想的電子封裝基片材料，尤其適用于導(dǎo)熱性能要求較高的領(lǐng)域。

1.3 氮化硅陶瓷 （Si3N4）

Si3N4 具有三種晶體結(jié)構(gòu)，分別是 α 相、β 相和 γ 相 （其中 α 與 β 相是最常見(jiàn)形態(tài)），均為六方結(jié)構(gòu)，其粉料與基片呈灰白色，如圖 3 所示。Si3N4 陶瓷基片彈性模量為 320 GPa，抗彎強(qiáng)度為 920 MPa，熱膨脹系數(shù)僅為 3.2 ×10-6/°C，介電常數(shù)為 9.4，具有硬度大、強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)小、耐腐蝕性高等優(yōu)勢(shì)。

由于 Si3N4陶瓷晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)聲子散射較大，因此早期研究認(rèn)為其熱導(dǎo)率低 ，如Si3N4軸承球、結(jié)構(gòu)件等產(chǎn)品熱導(dǎo)率只有 15 W/（m·K） ~ 30 W/（m·K）。1995 年，Haggerty 等人通過(guò)經(jīng)典固體傳輸理論計(jì)算表明，Si3N4材料熱導(dǎo)率低的主要原因與晶格內(nèi)缺陷、雜質(zhì)等有關(guān)，并預(yù)測(cè)其理論值最高可達(dá) 320 W/（m·K）。

之后，在提高Si3N4材料熱導(dǎo)率方面出現(xiàn)了大量的研究，通過(guò)工藝優(yōu)化，氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率不斷提高，目前已突破 177 W/（m·K）。

圖 3 （a） 氮化硅陶瓷粉末和 （b） 氮化硅陶瓷基片

陶瓷傳熱機(jī)制同樣為聲子傳熱。晶格中的雜質(zhì)往往伴隨著空位、位錯(cuò)等結(jié)構(gòu)缺陷，降低了聲子平均自由程，導(dǎo)致熱導(dǎo)率降低，因此制備高純粉體是制備高熱導(dǎo)率 Si3N4 陶瓷的關(guān)鍵。

目前，市場(chǎng)上商用Si3N4粉料制備方法主要有兩種，分別為硅粉直接氮化法及硅亞胺熱解法。前者工藝較成熟，生產(chǎn)成本低，因此國(guó)內(nèi)外大多數(shù)企業(yè)使用該法來(lái)生產(chǎn) Si3N4粉料。但該方法所生產(chǎn)的 Si3N4粉料含有Fe、Ca、Al 等雜質(zhì)，雖然可以通過(guò)酸洗去除，但大大增加了生產(chǎn)成本。后者可制備出具有較高燒結(jié)活性的Si3N4粉料，不含金屬雜質(zhì)元素，粒徑分布在 0.2 μm~1 μm，且產(chǎn)量巨大，但技術(shù)難度較高。

Si3N4 陶瓷燒結(jié)助劑一般為金屬氧化物、稀土氧化物或二者的混合物。Zhou 等人 采用Y2O3-MgO 燒結(jié)助劑制備出氮化硅熱導(dǎo)率高達(dá) 177 W/（m·K），這是目前為止報(bào)道的 Si3N4 陶瓷最高熱導(dǎo)率。

但是，氧化物燒結(jié)助劑會(huì)在 Si3N4 晶體中引入氧原子，導(dǎo)致熱導(dǎo)率降低。采用非氧化物燒結(jié)助劑可減少氧含量，對(duì)于凈化 Si3N4 晶格、減少晶界玻璃相、提高熱導(dǎo)率及高溫力學(xué)性能具有重要意義。

梁振華等人分別以MgSiN2 和MgSiN2 與Y2O3 混合物作為燒結(jié)助劑，在相同條件下制備 Si3N4 陶瓷，前者熱導(dǎo)率為 90 W/（m·K），而后者僅為70 W/（m·K）。Hayashi 等人以 Yb2O3-MgSiN2 和Yb2O3-MgO作為燒結(jié)助劑，在相同條件下制備 Si3N4 陶瓷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)前者熱導(dǎo)率更高。

Si3N4 陶瓷燒結(jié)方法主要有反應(yīng)燒結(jié)、常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)和放電等離子燒結(jié)等。反應(yīng)燒結(jié)具有線收縮率低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但其致密度低、力學(xué)性能差、熱導(dǎo)率低。常壓燒結(jié)與熱壓燒結(jié)制備的 Si3N4 陶瓷具有較好的機(jī)械性能，但熱導(dǎo)率偏低，成本較高。氣壓燒結(jié)是指在燒結(jié)過(guò)程中施加壓力約為 1 MPa ~ 10 MPa 的氣體 （通常為 N2 ） 以抑制Si3N4 分解，促進(jìn)粉料致密化，獲得高密度產(chǎn)品。

放電等離子燒結(jié)是一種通過(guò)壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和電流場(chǎng)等效應(yīng)燒結(jié)制備陶瓷的新技術(shù)。在現(xiàn)有可作為基板材料使用的陶瓷材料中，Si3N4陶瓷抗彎強(qiáng)度高 （大于 800 MPa），耐磨性好，是綜合機(jī)械性能最好的陶瓷材料，同時(shí)其熱膨脹系數(shù)最小，因而被認(rèn)為是一種很有潛力的功率器件封裝基片材料。但是其制備工藝復(fù)雜，成本較高，熱導(dǎo)率偏低，主要適合應(yīng)用于強(qiáng)度要求較高但散熱要求不高的領(lǐng)域。

1.4 氧化鈹 （BeO）

BeO 材料密度低，具有纖鋅礦型和強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，其粉末與基片均為白色，如圖 4 所示。BeO相對(duì)分子量較低，導(dǎo)致材料熱導(dǎo)率高，如純度為 99% 的 BeO 陶瓷室溫?zé)釋?dǎo)率可達(dá) 310 W/（m·K）；其禁帶寬度高達(dá) 10.6 eV，介電常數(shù)為 6.7，彈性模量為 350 GPa，抗彎強(qiáng)度為 200 MPa，具有良好的綜合性能。

圖 4 （a） BeO 陶瓷粉末和 （b） BeO 陶瓷基片

但是，BeO 材料也存在一些不足，包括：（1） BeO 粉體具有毒性，人體大量吸入后將導(dǎo)致急性肺炎，長(zhǎng)期吸入會(huì)引起慢性鈹肺病，因此在生產(chǎn)過(guò)程中要采用特殊防護(hù)措施；（2） BeO 燒結(jié)溫度高達(dá)1900°C 以上，生產(chǎn)成本高；（3） 熱導(dǎo)率隨著溫度升高而降低，如在 0°C ~ 600°C 溫度范圍內(nèi)，BeO陶瓷平均熱導(dǎo)率為 206.67 W/（m·K），但當(dāng)溫度升高到 800°C 時(shí)，其熱導(dǎo)率降低為十分之一，上述原因限制了氧化鈹?shù)耐茝V應(yīng)用。

但在某些大功率、高頻半導(dǎo)體器件以及航空電子設(shè)備和衛(wèi)星通訊中，為了追求高導(dǎo)熱和理想高頻特性，仍在采用 BeO 陶瓷基片。目前，美國(guó)是全球主要的 BeO 陶瓷基板生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，福特和通用等汽車公司在點(diǎn)火裝置中大量使用 BeO 陶瓷基板。

1.5 其它陶瓷基片材料

除了上述陶瓷材料外，碳化硅 （SiC）、氮化硼 （BN） 等也都可作為陶瓷基片材料。其中，SiC 單晶材料室溫?zé)釋?dǎo)率可達(dá) 490 W/（m·K），但 SiC 多晶體熱導(dǎo)率僅為 67 W/（m·K）。此外，SiC 材料介電常數(shù)為 40，是 AlN 陶瓷的 4 倍，限制了其高頻應(yīng)用。BN 材料具有較好的綜合性能，但作為基片材料，它沒(méi)有突出優(yōu)點(diǎn)，且價(jià)格昂貴，與半導(dǎo)體材料熱膨脹系數(shù)也不匹配，目前仍處于研究中。SiC和 BN 陶瓷基板如圖 5 所示。

圖 5 （a） SiC 陶瓷基片和 （b） BN 陶瓷基片

表 1 對(duì)幾種常用的陶瓷基片材料性能進(jìn)行了對(duì)比。

表 1 常用陶瓷基片材料性能

02 陶瓷基板制備技術(shù)

陶瓷基板又稱陶瓷電路板，包括陶瓷基片和金屬線路層。對(duì)于電子封裝而言，封裝基板起著承上啟下，連接內(nèi)外散熱通道的關(guān)鍵作用，同時(shí)兼有電互連和機(jī)械支撐等功能。陶瓷具有熱導(dǎo)率高、耐熱性好、機(jī)械強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)勢(shì)，是功率半導(dǎo)體器件封裝常用的基板材料。根據(jù)封裝結(jié)構(gòu)和應(yīng)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。

2.1 平面陶瓷基板

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 （Thin Film Ceramic Substrate，TFC）、厚膜印刷陶瓷基板 （Thick Printing Ceramic Substrate， TPC）、直接鍵合銅陶瓷基板 （Direct Bonded Copper Ceramic Substrate， DBC）、活性金屬焊接陶瓷基板 （Active Metal Brazing Ceramic Substrate， AMB）、直接電鍍銅陶瓷基板 （Direct Plated Copper Ceramic Substrate， DPC） 和激光活化金屬陶瓷基板 （Laser Activated Metallization Ceramic Substrate， LAM） 等。

薄膜陶瓷基板 （TFC）

薄膜陶瓷基板一般采用濺射工藝直接在陶瓷基片表面沉積金屬層。如果輔助光刻、顯影、刻蝕等工藝，還可將金屬層圖形化制備成線路，如圖 6 所示。由于濺射鍍膜沉積速度低 （一般低于 1 μm/h），因此 TFC 基板表面金屬層厚度較小 （一般小于 1 μm），可制備高圖形精度 （線寬/線距小于 10 μm） 陶瓷基板，主要應(yīng)用于激光與光通信領(lǐng)域小電流器件封裝。

圖 6 薄膜陶瓷基板 （TFC） 產(chǎn)品

厚膜印刷陶瓷基板 （TPC）

通過(guò)絲網(wǎng)印刷將金屬漿料涂覆在陶瓷基片上，干燥后經(jīng)高溫?zé)Y(jié) （溫度一般在 850°C ~ 900°C） 制備 TPC 基板，其工藝流程如圖 7 所示。

圖 7 TPC 基板制備工藝流程圖

根據(jù)金屬漿料粘度和絲網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸不同，制備的金屬線路層厚度一般為 10 μm~20 μm （提高金屬層厚度可通過(guò)多次絲網(wǎng)印刷實(shí)現(xiàn)）。TFC 基板制備工藝簡(jiǎn)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)。但是，由于絲網(wǎng)印刷工藝限制，TFC 基板無(wú)法獲得高精度線路 （最小線寬/線距一般大于 100 μm）。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，這將降低金屬層電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。因此 TPC 基板僅在對(duì)線路精度要求不高的電子器件 （如汽車電子） 封裝中得到應(yīng)用。TPC 基板樣品及其截面圖如圖 8 所示。

圖 8 （a） TPC 基板產(chǎn)品及其 （b） 截面圖

目前 TPC 基板關(guān)鍵技術(shù)在于制備高性能金屬漿料。金屬漿料主要由金屬粉末、有機(jī)載體和玻璃粉等組成。漿料中可供選擇的導(dǎo)體金屬有 Au、Ag、Ni、Cu 和 Al 等。銀基導(dǎo)電漿料因其具有較高的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能及相對(duì)低廉的價(jià)格而應(yīng)用廣泛 （占金屬漿料市場(chǎng) 80% 以上份額 ）。研究表明，銀顆粒粒徑、形貌等對(duì)導(dǎo)電層性能影響很大。如Park等人通過(guò)加入適量納米銀顆粒降低了銀漿電阻率；Zhou等人指出金屬層電阻率隨著球狀銀顆粒尺寸減小而降低，片狀銀粉（尺寸 6 μm）制備的金屬漿料電阻率遠(yuǎn)小于同樣尺寸球狀銀粉制備的漿料。

金屬漿料中有機(jī)載體決定了漿料的流動(dòng)性、潤(rùn)濕性和粘接強(qiáng)度，從而直接影響絲網(wǎng)印刷質(zhì)量以及后期燒結(jié)成膜的致密性和導(dǎo)電性。尹海鵬等人指出，當(dāng)有機(jī)載體中纖維素含量為 1% ~ 4%時(shí)，加入少量氫化蓖麻油可降低有機(jī)載體剪切強(qiáng)度，有利于漿料印刷和流平。

加入玻璃料可降低金屬漿料燒結(jié)溫度，降低生產(chǎn)成本和基板應(yīng)力。目前商用低溫玻璃料幾乎都含有鉛元素，對(duì)環(huán)境和人體造成傷害。Chen 等人采用Bi2O3-SiO2-B2O3-Al2O3-ZnO系納米玻璃粉制備金屬銀漿，用于太陽(yáng)能電池電極制造，研究發(fā)現(xiàn)該漿料具有良好的潤(rùn)濕性和結(jié)合強(qiáng)度，光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率提高。

直接鍵合陶瓷基板 （DBC）

DBC 陶瓷基板制備首先在銅箔 （Cu） 和陶瓷基片 （Al2O3 或 AlN） 間引入氧元素，然后在 1065°C 形成 Cu/O 共晶相 （金屬銅熔點(diǎn)為 1083°C），進(jìn)而與陶瓷基片和銅箔發(fā)生反應(yīng)生成 CuAlO2 或 Cu（AlO2）2，實(shí)現(xiàn)銅箔與陶瓷間共晶鍵合，其制備工藝和產(chǎn)品分別如圖 9 和圖 10 所示。由于陶瓷和銅具有良好的導(dǎo)熱性，且銅箔與陶瓷間共晶鍵合強(qiáng)度高，因此 DBC 基板具有較高的熱穩(wěn)定性，已廣泛應(yīng)用于絕緣柵雙極二極管 （IGBT）、激光器（LD）和聚焦光伏（CPV）等器件封裝散熱中。

圖9 DBC陶瓷基板制備工藝流程

圖10 DBC陶瓷基板產(chǎn)品

DBC 基板銅箔厚度較大 （一般為100 μm ~ 600μm），可滿足高溫、大電流等極端環(huán)境下器件封 裝應(yīng)用需求（為降低基板應(yīng)力與翹曲，一般采用Cu-Al2O3-Cu 的三明治結(jié)構(gòu)，且上下銅層厚度相同）。

雖然DBC基板在實(shí)際應(yīng)用中有諸多優(yōu)勢(shì)，但在制備過(guò)程中要嚴(yán)格控制共晶溫度及氧含量，對(duì)設(shè)備和工藝控制要求較高，生產(chǎn)成本也較高。此外，由于厚銅刻蝕限制，無(wú)法制備出高精度線路層。

在DBC基板制備過(guò)程中，氧化時(shí)間和氧化溫度是最重要的兩個(gè)參數(shù)。銅箔經(jīng)預(yù)氧化后，鍵合界面能形成足夠CuxOy相潤(rùn)濕Al2O3陶瓷與銅箔，具有較高的結(jié)合強(qiáng)度；若銅箔未經(jīng)過(guò)預(yù)氧化處理，CuxOy 潤(rùn)濕性較差，鍵合界面會(huì)殘留大量空洞和缺陷，降低結(jié)合強(qiáng)度及熱導(dǎo)率。對(duì)于采用AlN陶瓷制備DBC基板，還需對(duì)陶瓷基片進(jìn)行預(yù)氧化，先生成Al2O3薄膜，再與銅箔發(fā)生共晶反應(yīng)。謝建軍等人用DBC技術(shù)制備Cu/Al2O3、Cu/AlN陶瓷基板，銅箔和AlN陶瓷間結(jié)合強(qiáng)度超過(guò)8N/mm，銅箔和AlN間存在厚度為2μm的過(guò)渡層，其成分主要為Al2O3、CuAlO2和Cu2O。

活性金屬焊接陶瓷基板 （AMB）

AMB陶瓷基板利用含少量活性元素的活性金屬焊料實(shí)現(xiàn)銅箔與陶瓷基片間的焊接，其工藝流程如圖11所示。

圖11 AMB陶瓷基板制備工藝流程

活性焊料通過(guò)在普通金屬焊料中添加Ti、Zr、Hf、 V、Nb 或 Ta等稀土元素制備，由于稀土元素具有高活性，可提高焊料熔化后對(duì)陶瓷的潤(rùn)濕性，使 陶瓷表面無(wú)需金屬化就可與金屬實(shí)現(xiàn)焊接。AMB基板制備技術(shù)是DBC基板工藝的改進(jìn)（DBC基板 制備中銅箔與陶瓷在高溫下直接鍵合，而AMB基板采用活性焊料實(shí)現(xiàn)銅箔與陶瓷基片間鍵合），通過(guò)選用活性焊料可降低鍵合溫度（低于800°C），進(jìn)而降低陶瓷基板內(nèi)部熱應(yīng)力。此外，AMB基板依靠活性焊料與陶瓷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)鍵合，因此結(jié)合強(qiáng)度高，可靠性好。但是該方法成本較高，合適的活性焊料較少，且焊料成分與工藝對(duì)焊接質(zhì)量影響較大，目前只有少數(shù)國(guó)外企業(yè)掌握了AMB基板量產(chǎn)技術(shù)，其樣品與截面結(jié)構(gòu)如圖12所示。

目前，制備活性焊料是AMB基板制備關(guān)鍵技術(shù)。活性焊料的最初報(bào)道是1947年Bondley采用TiH2活性金屬法連接陶瓷與金屬，在此基礎(chǔ)上，Bender等人提出Ag-Cu-Ti活性焊接法。活性焊料主要分為高溫活性焊料（活性金屬為Ti、V和Mo等，焊接溫度1000°C~1250°C）、中溫活性焊料（活性金屬為 Ag-Cu-Ti，焊接溫度 700°C ~ 800°C，保護(hù)氣體或真空下焊接） 和低溫活性焊料（活性金屬為Ce、Ga和Re，焊接溫度200°C~300°C）。中高溫活性焊料成分簡(jiǎn)單，操作容易，焊接界面 機(jī)械強(qiáng)度高，在金屬-陶瓷焊接中得到廣泛應(yīng)用。Naka等人分別采用Cu60Ti34活性焊料焊接Si3N4 陶瓷和NiTi50活性焊料焊接SiC，前者室溫下焊接界面剪切強(qiáng)度達(dá)到313.8MPa，而后者在室溫、300°C和700°C時(shí)的焊接界面剪切強(qiáng)度分別為158MPa、316MPa和260MPa。

圖 12 （a） AMB 陶瓷基板產(chǎn)品及其 （b）截面圖

由于DBC陶瓷基板制備工藝溫度高，金屬-陶瓷界面應(yīng)力大，因此AMB技術(shù)越來(lái)越受到業(yè)界 關(guān)注，特別是采用低溫活性焊料。如Chang等人使用Sn3.5Ag4Ti（Ce，Ga）活性焊料在250°C下分別 實(shí)現(xiàn)了ZnS-SiO2、ITO陶瓷以及Al2O3陶瓷與Cu層焊接；Tsao等人使用Sn3.5Ag4Ti（Ce）活性焊 料實(shí)現(xiàn)了Al 與微亞弧氧化鋁 （MAO-Al）間焊接。

直接電鍍陶瓷基板 （DPC）

DPC 陶瓷基板制備工藝如圖 13所示。首先利用激光在陶瓷基片上制備通孔（孔徑一般為60μm~120μm），隨后利用超聲波清洗陶瓷基片；采用磁控濺射技術(shù)在陶瓷基片表面沉積金屬種子層（Ti/Cu），接著通過(guò)光刻、顯影完成線路層制作；采用電鍍填孔和增厚金屬線路層，并通過(guò)表面處理提高基板可焊性與抗氧化性，最后去干膜、刻蝕種子層完成基板制備。

圖13 DPC陶瓷基板制備工藝流程

從圖 13 可以看出，DPC 陶瓷基板制備前端采用了半導(dǎo)體微加工技術(shù)（濺射鍍膜、光刻、顯影等）， 后端則采用了印刷線路板 （PCB） 制備技術(shù) （圖形電鍍、填孔、表面研磨、刻蝕、表面處理等），技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。

具體特點(diǎn)包括：（1） 采用半導(dǎo)體微加工技術(shù)，陶瓷基板上金屬線路更加精細(xì) （線寬/線距可低至30μm~50μm，與線路層厚度相關(guān)），因此DPC基板非常適合對(duì)準(zhǔn)精度要求較高的微電子器件封裝；（2） 采用激光打孔與電鍍填孔技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了陶瓷基板上/下表面垂直互聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)電子器件三維封裝與集成，降低器件體積，如圖14（b） 所示；（3）采用電鍍生長(zhǎng)控制線路層厚度（一般為 10μm~100μm），并通過(guò)研磨降低線路層表面粗糙度，滿足高溫、大電流器件封裝需求；（4）低溫制備工藝 （300°C 以下）避免了高溫對(duì)基片材料和金屬線路層的不利影響，同時(shí)也降低了生產(chǎn)成本。綜上所述，DPC基板具有圖形精度高，可垂直互連等特性，是一種真正的陶瓷電路板。

圖 14 （a） DPC 陶瓷基板產(chǎn)品及其 （b）截面圖

但是，DPC 基板也存在一些不足：（1） 金屬線路層采用電鍍工藝制備，環(huán)境污染嚴(yán)重；（2）電鍍生長(zhǎng)速度低，線路層厚度有限（一般控制在10μm~100μm），難以滿足大電流功率器件封裝需求。目前DPC陶瓷基板主要應(yīng)用于大功率LED封裝，生產(chǎn)廠家主要集中在我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)，但從2015年開(kāi)始大陸地區(qū)已開(kāi)始實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

金屬線路層與陶瓷基片的結(jié)合強(qiáng)度是影響DPC陶瓷基板可靠性的關(guān)鍵。由于金屬與陶瓷間熱膨 脹系數(shù)差較大，為降低界面應(yīng)力，需要在銅層與陶瓷間增加過(guò)渡層，從而提高界面結(jié)合強(qiáng)度。由于過(guò)渡層與陶瓷間的結(jié)合力主要以擴(kuò)散附著及化學(xué)鍵為主，因此常選擇Ti、Cr和Ni等活性較高、擴(kuò) 散性好的金屬作為過(guò)渡層（同時(shí)作為電鍍種子層）。

Lim等人采用50W的Ar等離子束對(duì)Al2O3基片清洗10min，隨后再濺射1μm±0.2μm的銅薄膜，二者粘結(jié)強(qiáng)度高于34MPa，而未進(jìn)行等離子 清洗的基片與銅薄膜的粘結(jié)強(qiáng)度僅為7MPa。占玙娟在濺射Ti/Ni（其厚度分別為200nm與400nm） 薄膜之前，采用600eV、700mA的低能離子束對(duì)AlN陶瓷基片清洗15min，所得到的金屬薄膜與 陶瓷基片的粘結(jié)強(qiáng)度大于30MPa。可以看出，對(duì)陶瓷基片進(jìn)行等離子清洗可大大提高與金屬薄膜間 的結(jié)合強(qiáng)度，這主要是因?yàn)椋海?） 離子束去除了陶瓷基片表面的污染物；（2）陶瓷基片因受到離子束 的轟擊而產(chǎn)生懸掛鍵，與金屬原子結(jié)合更緊密。

電鍍填孔也是DPC陶瓷基板制備的關(guān)鍵技術(shù)。目前DPC基板電鍍填孔大多采用脈沖電源，其 技術(shù)優(yōu)勢(shì)包括：（1） 易于填充通孔，降低孔內(nèi)鍍層缺陷；（2） 表面鍍層結(jié)構(gòu)致密，厚度均勻；（3）可采用較高電流密度進(jìn)行電鍍，提高沉積效率。陳珍等人采用脈沖電源在1.5ASD電流密度下電鍍2h，實(shí)現(xiàn)了深寬比為6.25的陶瓷通孔無(wú)缺陷電鍍。但脈沖電鍍成本高，因此近年來(lái)新型直流電鍍又重新得到重視，通過(guò)優(yōu)化電鍍液配方（包括整平劑、抑制劑等），實(shí)現(xiàn)盲孔或通孔高效填充。如林金堵等人通過(guò)優(yōu)化電鍍添加劑、攪拌強(qiáng)度及方式和電流參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了通孔與盲孔電鍍。

激光活化金屬陶瓷基板 （LAM）

LAM基板制備利用特定波長(zhǎng)的激光束選擇性加熱活化陶瓷基片表面，隨后通過(guò)電鍍/化學(xué)鍍完成線路層制備，工藝流程如圖 15（a） 所示。其技術(shù)優(yōu)勢(shì)包括：（1）無(wú)需采用光刻、顯影、刻蝕等微加工工藝，通過(guò)激光直寫制備線路層，且線寬由激光光斑決定，精度高 （可低至10 μm~20 μm），如圖15（b） 所示；（2）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，如圖15（c） 所示；（3）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。從上可以看出，雖然 LAM技術(shù)可在平面陶瓷基板或立體陶瓷結(jié)構(gòu)上加工線路層，但其線路層由激光束“畫”出來(lái)，難以大批量生產(chǎn)，導(dǎo)致價(jià)格極高，目前主要應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域異型陶瓷散熱件加工。

圖15 （a）LAM基板工藝流程；（b）LAM基板加工示意圖；（c）LAM基板產(chǎn)品

表2對(duì)不同工藝制備的平面陶瓷基板性能進(jìn)行了對(duì)比。

表2 平面陶瓷基板性能對(duì)比

2.2 三維陶瓷基板制備技術(shù)

許多微電子器件 （如加速度計(jì)、陀螺儀、深紫外LED 等）芯片對(duì)空氣、濕氣、灰塵等非常敏感。如LED芯片理論上可工作10萬(wàn)小時(shí)以上，但水汽侵蝕會(huì)大大縮短其壽命（甚至降低至幾千小時(shí)）。為了提高這些微電子器件性能（特別是可靠性），必須將其芯片封裝在真空或保護(hù)氣體中，實(shí)現(xiàn)氣密 封裝 （芯片置于密閉腔體中，與外界氧氣、濕氣、灰塵等隔絕）。因此，必須首先制備含腔體（圍壩） 結(jié)構(gòu)的三維基板，滿足封裝應(yīng)用需求。

目前，常見(jiàn)的三維陶瓷基板主要有：高/低溫共燒陶瓷基板（High/LowTemperature Co-fired Ceramic Substrate，HTCC/LTCC）、多層燒結(jié)三維陶瓷基板（Multilayer Sintering Ceramic Substrate，MSC）、直接粘接三維陶瓷基板 （Direct Adhere Ceramic Substrate，DAC）、多層鍍銅三維陶瓷基板（Multilayer Plated Ceramic Substrate，MPC）以及直接成型三維陶瓷基板（Direct Molding Ceramic Substrate，DMC）等。

高/低溫共燒陶瓷基板（HTCC/LTCC）

HTCC 基板制備過(guò)程中先將陶瓷粉 （Al2O3 或 AlN）加入 有機(jī)黏結(jié)劑，混合均勻后成為膏狀陶瓷漿料，接著利用刮刀將陶瓷漿料刮成片狀，再通過(guò)干燥工藝使片狀漿料形成生胚；然后根據(jù)線路層設(shè)計(jì)鉆導(dǎo)通孔，采用絲網(wǎng)印刷金屬漿料進(jìn)行布線和填孔，最后將各生胚層疊加，置于高溫爐（1600°C）中燒結(jié)而成，如圖16所示。由于HTCC基板制備工藝溫 度高，因此導(dǎo)電金屬選擇受限，只能采用熔點(diǎn)高但導(dǎo)電性較差的金屬（如W、Mo及Mn等），制作 成本較高。此外，受到絲網(wǎng)印刷工藝限制，HTCC基板線路精度較差，難以滿足高精度封裝需求。但 HTCC 基板具有較高機(jī)械強(qiáng)度和熱導(dǎo)率 ［20 W/（m·K） ~ 200W/（m·K）］，物化性能穩(wěn)定，適合大功 率及高溫環(huán)境下器件封裝，如圖17 （a） 所示。Cheah 等人將HTCC工藝應(yīng)用于微型蒸汽推進(jìn)器，制備的微型加熱器比硅基推進(jìn)器效率更高，能耗降低21%以上。

圖 16 （a） HTCC 陶瓷基板制備工藝流程和 （b）結(jié)構(gòu)示意圖

圖17 （a）HTCC陶瓷基板產(chǎn)品和（b）LTCC陶瓷基板產(chǎn)品

為了降低HTCC制備工藝溫度，同時(shí)提高線路層導(dǎo)電性，業(yè)界開(kāi)發(fā)了LTCC基板。與HTCC制 備工藝類似，只是 LTCC制備在陶瓷漿料中加入了一定量玻璃粉來(lái)降低燒結(jié)溫度，同時(shí)使用導(dǎo)電性 良好的Cu、Ag和Au等制備金屬漿料，如圖17（b）所示。LTCC基板制備溫度低，但生產(chǎn)效率高， 可適應(yīng)高溫、高濕及大電流應(yīng)用要求，在軍工及航天電子器件中得到廣泛應(yīng)用。

Yuan 等人選用CaO-BaO-Al2O3-B2O3-SiO2/AlN體系原料，當(dāng)AlN組分含量為40%時(shí)，研制的LTCC基板熱導(dǎo)率 為5.9W/（m·K），介電常數(shù)為6.3，介電損耗為4.9×10-3，彎曲強(qiáng)度高達(dá)178MPa。Qing等人采用 Li2O-Al2O3-SiO2/Al2O3體系原料，制備的LTCC基板抗彎強(qiáng)度為155MPa，介電損耗為2.49×10-3。

雖然LTCC 基板具有上述優(yōu)勢(shì)，但由于在陶瓷漿料中添加了玻璃粉，導(dǎo)致基板熱導(dǎo)率偏低［一般僅為3W/（m·K）~7W/（m·K）］。此外，與HTCC一樣，由于LTCC基板采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制作金屬線路，有可能因張網(wǎng)問(wèn)題造成對(duì)位誤差，導(dǎo)致金屬線路層精度低；而且多層陶瓷生胚疊壓燒結(jié)時(shí)還存在收縮比例差異問(wèn)題，影響成品率，一定程度上制約了LTCC基板技術(shù)發(fā)展。Yan等人經(jīng)過(guò)表面處理將LTCC基板翹曲由150μm~250μm降低至80μm~110 μm；Sim等人通過(guò)改進(jìn)LTCC 基板封裝形式，去掉芯片與金屬基底間絕緣層，模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示其熱阻降低為7.3W/（m·K），滿足大功率LED封裝需求。

多層燒結(jié)三維陶瓷基板（MSC）

與HTCC/LTCC基板一次成型制備三維陶瓷基板不同，臺(tái)灣陽(yáng)升公司采用多次燒結(jié)法制備了MSC 基板。其工藝流程如圖18 所示，首先制備厚膜印刷陶瓷基板（TPC），隨后通過(guò)多次絲網(wǎng)印刷將陶瓷漿料印刷于平面 TPC基板上，形成腔體結(jié)構(gòu)，再經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成，得到的MSC基板樣品如圖19所示。

圖18 MSC陶瓷基板制備工藝流程

圖19 MSC三維陶瓷基板產(chǎn)品

由于陶瓷漿料燒結(jié)溫度一般在800°C左右，因此要求 下部的TPC基板線路層必須能耐受如此高溫，防止在燒結(jié)過(guò)程中出現(xiàn)脫層或氧化等缺陷。由上文可知，TPC 基板線路層由金屬漿料高溫?zé)Y(jié) （一般溫度為850°C ~ 900°C）制備，具有較好的耐高溫性 能，適合后續(xù)采用燒結(jié)法制備陶瓷腔體。

MSC基板技術(shù)生產(chǎn)設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單，平面基板與腔體結(jié)構(gòu) 獨(dú)立燒結(jié)成型，且由于腔體結(jié)構(gòu)與平面基板均為無(wú)機(jī)陶瓷材料，熱膨脹系數(shù)匹配，制備過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)脫層、翹曲等現(xiàn)象。其缺點(diǎn)在于，下部 TPC基板線路層與上部腔體結(jié)構(gòu)均采用絲網(wǎng)印刷布線，圖形精度較低；同時(shí)，因受絲網(wǎng)印刷工藝限制，所制備的MSC基板腔體厚度（深度）有限。因此MSC三維基板僅適用于體積較小、精度要求不高的電子器件封裝。

直接粘接三維陶瓷基板 （DAC）

上述HTCC、LTCC及MSC 基板線路層都采用絲網(wǎng)印刷制備，精度較低，難以滿足高精度、高集成度封裝要求，因此業(yè)界提出在高精度DPC陶瓷基板上成型腔體制備三維陶瓷基板。由于DPC基板金屬線路層在高溫（超過(guò)300°C）下會(huì)出現(xiàn)氧化、起泡甚至脫層等現(xiàn)象，因此基于DPC技術(shù)的三維陶瓷基板制備必須在低溫下進(jìn)行。

臺(tái)灣璦司柏公司（ICP）提出采用膠粘法制備三維陶瓷基板，樣品如圖20所示。首先加工金屬環(huán)和DPC陶瓷基板，然后采用有機(jī)粘膠將金屬環(huán)與DPC基板對(duì)準(zhǔn)后粘接、加熱固化，如圖21所示。由于膠液流動(dòng)性好，因此涂膠工藝簡(jiǎn)單，成本低，易于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，且所有制備工藝均在低溫下進(jìn)行，不會(huì)對(duì)DPC基板線路層造成損傷。但是，由于有機(jī)粘膠耐熱性差，固化體與金屬、陶瓷間熱膨脹系數(shù)差較大，且為非氣密性材料，目前DAC陶瓷基板主要應(yīng)用于線路精度要求較高，但對(duì)耐熱性、氣密性、可靠性等要求較低的電子器件封裝。

圖20 有機(jī)膠接法制備DAC陶瓷基板產(chǎn)品

圖21 DAC三維陶瓷基板制備工藝流程

為了解決上述不足，業(yè)界進(jìn)一步提出采用無(wú)機(jī)膠替代有機(jī)膠的粘接技術(shù)方案，大大提高了DAC三維陶瓷基板的耐熱性和可靠性。其技術(shù)關(guān)鍵是選用無(wú)機(jī)膠，要求其能在低溫（低于 200°C）下固化；固化體耐熱性好（能長(zhǎng)期耐受300°C高溫），與金屬、陶瓷材料粘接性好（剪切強(qiáng)度大于10MPa），同時(shí)與金屬環(huán) （圍壩） 和陶瓷基片材料熱膨脹系數(shù)匹配 （降低界面熱應(yīng)力）。美國(guó)科銳公司（Cree）XRE 系列產(chǎn)品封裝基板既采用了該技術(shù)方案，如圖22。

圖 22 無(wú)機(jī)膠粘結(jié)制備 DAC 三維陶瓷基板：（a） 產(chǎn)品圖；（b）結(jié)構(gòu)圖

多層電鍍?nèi)S陶瓷基板 （MPC）

為了發(fā)揮 DPC 陶瓷基板技術(shù)優(yōu)勢(shì)（高圖形精度、垂直互連等）， 吳朝暉等人提出采用多次/層電鍍?cè)龊窦夹g(shù)，在DPC陶瓷基板上直接制備具有厚銅圍壩結(jié)構(gòu)的三維陶瓷基板，如圖23（a）所示。其制備工藝與DPC基板類似，只是在完成平面DPC基板線路層加 工后，再通過(guò)多次光刻、顯影和圖形電鍍完成圍壩制備（厚度一般為500μm~700μm），如圖24所示。需要指出的是，由于干膜厚度有限（一般為50μm~80μm），需要反復(fù)進(jìn)行光刻、顯影、圖形電 鍍等工藝；同時(shí)為了提高生產(chǎn)效率，需要在電鍍?cè)龊駠鷫螘r(shí)提高電流密度，導(dǎo)致鍍層表面粗糙，需要不斷進(jìn)行研磨，保持鍍層表面平整與光滑。

圖 23 多層電鍍?nèi)S陶瓷基板 MPC：（a）產(chǎn)品；（b）結(jié)構(gòu)示意圖

圖24 多層電鍍?nèi)S陶瓷基板（MPC）工藝流程圖

MPC 基板采用圖形電鍍工藝制備線路層，避免了HTCC/LTCC與TPC基板線路粗糙問(wèn)題，滿足高精度封裝要求。陶瓷基板與金屬圍壩一體化成型為密封腔體，結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)中間粘結(jié)層，氣密性高。

MPC基板整體為全無(wú)機(jī)材料，具有良好的耐熱性，抗腐蝕、抗輻射等。金屬圍壩結(jié)構(gòu)形狀可以任意設(shè)計(jì)，圍壩頂部可制備出定位臺(tái)階，便于放置玻璃透鏡或蓋板，目前已成功應(yīng)用于深紫外LED封裝和VCSEL激光器封裝，已部分取代LTCC基板。其缺點(diǎn)在于：由于干膜厚度限制，制備過(guò)程需要反復(fù)進(jìn)行光刻、顯影、圖形電鍍與表面研磨，耗時(shí)長(zhǎng)（厚度為600 μm圍壩需要電鍍10h以上），生產(chǎn)成本高；此外，由于電鍍圍壩銅層較厚，內(nèi)部應(yīng)力大，MPC基板容易翹曲變形，影響后續(xù)的芯片封裝質(zhì)量與效率。

直接成型三維陶瓷基板（DMC）

為了提高三維陶瓷基板生產(chǎn)效率，同時(shí)保證基板線路精度與可 靠性，陳明祥等人提出制備含免燒陶瓷圍壩的三維陶瓷基板，其樣品如圖25所示。為了制備具有高結(jié)合強(qiáng)度、高耐熱性的陶瓷圍壩，實(shí)驗(yàn)采用堿激發(fā)鋁硅酸鹽漿料（alkali-activated aluminosilicate cement paste， ACP）作為圍壩結(jié)構(gòu)材料。圍壩由偏高嶺土在堿性溶液中脫水縮合而成，具有低溫固化、耐熱性好（可長(zhǎng)期耐受500°C高溫）、與金屬/陶瓷粘接強(qiáng)度高、抗腐蝕，物化性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，滿足電子封裝應(yīng)用需求。

圖25 采用免燒陶瓷漿料制備的DMC三維陶瓷基板樣品及其結(jié)構(gòu)示意圖

DMC基板制備工藝流程如圖26所示，首先制備平面DPC陶瓷基板，同時(shí)制備帶孔橡膠模具；將橡膠模具與DPC陶瓷基板對(duì)準(zhǔn)合模后，向模具腔內(nèi)填充犧牲模材料；待犧牲模材料固化后，取下橡膠模具，犧牲模粘接于DPC陶瓷基板上，并精確復(fù)制橡膠模具孔結(jié)構(gòu)特征，作為鋁硅酸鹽漿料成型模具；隨后將鋁硅酸鹽漿料涂覆于DPC陶瓷基板上并刮平，加熱固化，最后將犧牲模材料腐蝕，得到含鋁硅酸鹽免燒陶瓷圍壩的三維陶瓷基板。

圖26 漿料直接成型法制備三維基板流程

鋁硅酸鹽漿料固化溫度低，對(duì)DPC陶瓷基板線路層影響極小，并與DPC基板制備工藝兼容。橡膠具有易加工、易脫模以及價(jià)格低廉等特點(diǎn)，能精確復(fù)制圍壩結(jié)構(gòu)（腔體）形狀與尺寸，保證圍壩加工精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，腔體深度、直徑加工誤差均小于30μm，說(shuō)明該工藝制備的三維陶瓷基板精度高，重復(fù)性好，適合量產(chǎn)。鋁硅酸鹽漿料加熱后脫水縮合，主要產(chǎn)物為無(wú)機(jī)聚合物，其耐熱性好，熱膨脹系數(shù)與陶瓷基片匹配，具有良好的熱穩(wěn)定性；固化體與陶瓷、金屬粘接強(qiáng)度高，制備的三維陶瓷基板可靠性高。圍壩厚度（腔體高度）取決于模具厚度，理論上不受限制，可滿足不同結(jié)構(gòu)和尺寸的電子器件封裝要求。

表3比較了上述不同三維陶瓷基板性能的一些基本性能。與表2重復(fù)或類似的數(shù)據(jù)不再列入。

表3三維陶瓷基板性能對(duì)比

03

陶瓷基板性能與檢測(cè)

目前，陶瓷基板性能檢測(cè)尚無(wú)國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。其主要性能包括基板外觀、力學(xué)性能、熱學(xué)性 能、電學(xué)性能、封裝性能 （工作性能）和可靠性等。

外觀檢測(cè)：陶瓷基板外觀檢測(cè)一般采用肉眼或顯微鏡，檢測(cè)基板表面是否有裂縫、孔洞，金屬 層表面是否有氣泡、脫層、劃痕或污漬等質(zhì)量缺陷。此外，陶瓷基板尺寸、基板平整度（翹曲）、金屬線路層厚度與表面粗糙度、線寬與間距等都是需要重點(diǎn)檢測(cè)的內(nèi)容。

力學(xué)性能：平面陶瓷基板力學(xué)性能主要指金屬線路層結(jié)合強(qiáng)度，表示金屬層與陶瓷基片間的粘 接強(qiáng)度，直接決定了后續(xù)器件封裝質(zhì)量（固晶強(qiáng)度與可靠性等）。不同方法制備的陶瓷基板結(jié)合強(qiáng)度 差別較大，通常采用高溫工藝制備的平面陶瓷基板（如TPC、DBC等），其金屬層與陶瓷基片間通過(guò) 化學(xué)鍵連接，結(jié)合強(qiáng)度較高；而低溫工藝制備的陶瓷基板 （如 DPC基板），金屬層與陶瓷基片間主要 以范德華力及機(jī)械咬合力為主，結(jié)合強(qiáng)度偏低。

常用結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試方法包括：

（1） 膠帶法：將3M 膠帶緊貼金屬層表面，用橡皮滾筒在上面滾壓，以去除粘接面內(nèi)氣泡。10s后用垂直于金屬層的拉力使膠帶剝離，檢測(cè)金屬層是否從基片上剝離，屬于一種定性測(cè)試方法。

（2） 焊線法：選用直徑為0.5 mm或1.0mm的金屬線，通過(guò)焊料熔化直接焊接在基板金屬層上， 隨后用拉力計(jì)沿垂直方向測(cè)量金屬線抗拉力。

（3） 剝離強(qiáng)度法：將陶瓷基板表面金屬層蝕刻（劃切） 成 5 mm ′ 10 mm長(zhǎng)條，然后在剝離強(qiáng)度 測(cè)試機(jī)上沿垂直方向撕下，測(cè)試其剝離強(qiáng)度。要求剝離速度為50mm/min，測(cè)量頻率為10次/s。

對(duì)于三維陶瓷基板而言，力學(xué)性能還包括圍壩與平面陶瓷基板間的結(jié)合強(qiáng)度，不同方法制備的三維陶瓷基板圍壩結(jié)合強(qiáng)度差別很大。由于HTCC/LTCC、MSC基板采用高溫?zé)Y(jié)工藝制備，圍壩與基板界面以化學(xué)鍵為主，結(jié)合強(qiáng)度較高；而以粘接、電鍍、漿料固化技術(shù)成型的圍壩，其結(jié)合強(qiáng)度相對(duì)較低。常用測(cè)試方法包括剪切強(qiáng)度測(cè)試和拉伸強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試構(gòu)型如圖27所示。

圖 27 （a） 剪切強(qiáng)度測(cè)試示意圖；（b）拉伸強(qiáng)度測(cè)試示意圖

熱學(xué)性能：陶瓷基板熱學(xué)性能主要包括熱導(dǎo)率、耐熱性、熱膨脹系數(shù)和熱阻等。陶瓷基板在器 件封裝中主要起散熱作用，因此其熱導(dǎo)率是重要的技術(shù)指標(biāo)；耐熱性主要測(cè)試陶瓷基板在高溫下是否翹曲、變形，表面金屬線路層是否氧化變色、起泡或脫層，內(nèi)部通孔是否失效等。由于陶瓷基板一般為多層結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)熱特性不僅與陶瓷基片材料熱導(dǎo)率有關(guān) （體熱阻），還與材料界面結(jié)合情況密 切相關(guān)（界面接觸熱阻）。因此，采用熱阻測(cè)試儀（可測(cè)量多層結(jié)構(gòu)的體熱阻和界面熱阻）能有效評(píng)價(jià)陶瓷基板導(dǎo)熱性能。

電學(xué)性能：陶瓷基板電學(xué)性能主要指基板正反面金屬層是否導(dǎo)通（內(nèi)部通孔質(zhì)量是否良好）。由 于DPC 陶瓷基板通孔直徑較小，在電鍍填孔時(shí)會(huì)出現(xiàn)未填實(shí)、氣孔等缺陷，一般可采用X射線測(cè)試 儀 （定性，快速） 和飛針測(cè)試機(jī) （定量，便宜）評(píng)價(jià)陶瓷基板通孔質(zhì)量。

封裝性能：陶瓷基板封裝性能主要指可焊性與氣密性（限三維陶瓷基板）。

可焊性是指芯片或金屬引線能否順利與基板金屬層焊接（鍵合） 在一起，同時(shí)具有一定鍵合強(qiáng)度。為提高陶瓷基板可焊性，一般需在基板金屬層進(jìn)行表面處理（如化學(xué)鍍銀，化學(xué)鍍Ni/Au、Ni/Pd/Au等），可防止金屬層氧化，同時(shí)提高金屬層可焊性。表面處理層成分與厚度對(duì)可焊性影響較大，通常可采用引線鍵合機(jī)和剪切強(qiáng)度測(cè)試儀進(jìn)行評(píng)估。

將芯片貼裝于三維陶瓷基板腔體內(nèi)，用蓋板 （金屬或玻璃） 將腔體密封便可實(shí)現(xiàn)器件氣密封裝。圍壩材料與焊接材料氣密性直接決定了器件封裝氣密性，不同方法制備的三維陶瓷基板氣密性存在一定差異。對(duì)三維陶瓷基板主要測(cè)試圍壩材料與結(jié)構(gòu)的氣密性，主要有氟油氣泡法和氦質(zhì)譜儀法。

可靠性測(cè)試與分析

可靠性主要測(cè)試陶瓷基板在特定環(huán)境下 （高溫、低溫、高濕、輻射、腐蝕、高頻振動(dòng)等）的性能 變化，主要內(nèi)容包括耐熱性、高溫存儲(chǔ)、高低溫循環(huán)、熱沖擊、耐腐蝕、抗腐蝕、高頻振動(dòng)等。對(duì)于失效樣品，可采用掃描電鏡 （SEM） 和 X 射線衍射儀 （XRD）分別進(jìn)行微觀和成分分析；采用掃 描聲顯微鏡 （SAM） 和 X射線檢測(cè)儀進(jìn)行焊接界面和缺陷分析。

04

陶瓷基板應(yīng)用

隨著功率器件技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是隨著第三代半導(dǎo)體技術(shù)的興起，陶瓷基板因其良好的導(dǎo)熱、耐熱、高強(qiáng)度與高可靠性等，應(yīng)用領(lǐng)域與需求量不斷擴(kuò)展。下面簡(jiǎn)要介紹陶瓷基板在不同電子封裝領(lǐng)域的應(yīng)用。

4.1 電力電子器件封裝

自上世紀(jì)50年代以來(lái)，電力電子器件從晶閘管過(guò)渡到GTR/GTO/MOSFET，再逐漸發(fā)展到絕緣 柵雙極晶體管 （Insulate-Gate Bipolar Transistor， IGBT）。與前兩代相比，第三代電力電子器件（如 IGBT）具有頻率高、功率大和開(kāi)關(guān)速度快等優(yōu)勢(shì)，在國(guó)防軍事、航天航空、電動(dòng)牽引、軌道交通、新能源汽車以及家用電子器件領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。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(duì)于 IGBT封裝而言，散熱是其技術(shù)關(guān)鍵，必須采用陶瓷基板強(qiáng)化散熱， 如圖28。目前，IGBT封裝主要采用DBC陶瓷基板，原因在于DBC基板金屬線路層較厚（一般為 100 μm ~ 600μm），具有載流能力大、耐高溫性好及可靠性高等特點(diǎn)。

圖28 （a）IGBT模塊及（b）采用DBC基板封裝IGBT模塊

4.2 激光器 （LD）封裝

LD是受激輻射的半導(dǎo)體器件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、醫(yī)療和3D打印等領(lǐng)域，如圖29（a）所示。目前國(guó)際上90μm~ 100 μm單管9××nm器件商用產(chǎn)品輸出功率在12W~ 18 W 之間，實(shí)驗(yàn)室水 平可達(dá)20W ~25W。由于LD 電光轉(zhuǎn)換效率約為50%~ 60%，工作時(shí)大量熱量集中在有源區(qū)， 導(dǎo)致結(jié)溫升高，引發(fā)腔面災(zāi)變性光學(xué)損傷或飽和現(xiàn)象，嚴(yán)重限制LD輸出功率和使用壽命。此外，熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致器件內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，輸出光在快軸方向呈非線性分布，給光束準(zhǔn)直、整形及光纖耦合帶來(lái)極大挑戰(zhàn)，是阻礙高功率激光器廣泛應(yīng)用的主要因素之一。

因此，在 LD封裝中必 須采用導(dǎo)熱性能良好、熱膨脹系數(shù)匹配的陶瓷基板。由于AlN陶瓷具有熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)低等 優(yōu)點(diǎn)，因此LD封裝普遍使用AlN陶瓷基板，如圖29（b）所示。倪羽茜等人采用AlN和SiC兩 種陶瓷制成三明治型熱沉實(shí)現(xiàn)了大功率LD單管高功率輸出，模擬分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，SiC和AlN材料制備的陶瓷基板熱阻分別為1.19K/W和1.30K/W，二者在15A時(shí)輸出功率分別為13.1W和16.3 W，峰值電光轉(zhuǎn)換效率分別為 63.9% 和68.3%。

圖29 （a）藍(lán)光LD器件及（b）采用DBC基板封裝LD結(jié)構(gòu)示意圖

4.3 發(fā)光二極管 （LED）封裝

同 LD 一樣，發(fā)光二極管 （LED）也是一種基于電光轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體功率器件，具有電光轉(zhuǎn)換效率 高、響應(yīng)快、壽命長(zhǎng)和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，目前已廣泛應(yīng)用于通用照明、信號(hào)指示、汽車燈具和背光顯示等領(lǐng)域。隨著LED技術(shù)發(fā)展，芯片尺寸和驅(qū)動(dòng)電流不斷提高，LED模組功率密度也不斷提高， 散熱問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。

大功率LED封裝基板先后經(jīng)歷了三個(gè)階段：金屬支架、金屬基板和陶瓷基 板。由于陶瓷基板具有高絕緣、高導(dǎo)熱和耐熱、低膨脹等特性，特別是采用垂直通孔技術(shù)的DPC陶 瓷基板，可有效滿足倒裝共晶、COB（板上芯片封裝）、CSP（芯片尺寸封裝）等技術(shù)白光LED 封裝需求，如圖30所示。對(duì)于紫外LED模組，采用三維陶瓷基板，可滿足其高效散熱與氣密封裝需求，如圖31所示。

圖30 白光LED模組及其陶瓷封裝示意圖

圖31 紫外LED模組及其封裝結(jié)構(gòu)圖

4.4 熱電制冷器 （TEC）封裝

熱電制冷片（ThermoelectricCooler， TEC）是一種常用的半導(dǎo)體制冷器件，其工作原理為帕爾貼效應(yīng)，其樣品如圖32（a） 所示，結(jié)構(gòu)示意圖如圖32 （b）所示。熱電制冷技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，主要表現(xiàn)在：（1）無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，無(wú)噪聲，無(wú)磨損、壽命長(zhǎng)，易于調(diào)控，可靠性高；（2）不使用制冷劑，無(wú)泄漏，對(duì)環(huán)境無(wú)污染；（3）制冷器尺寸小，重量輕，適合小容積、小尺寸等特殊環(huán)境電子器件散熱。由于熱電制冷效率與半導(dǎo)體粒子數(shù)量呈正相關(guān)，單位面積粒子數(shù)量越多，熱電制冷效率越高。DPC陶瓷基板圖形精度高，可提高粒子布置密度，從而有效提高熱電制冷效率。

圖 32（a） 熱電制冷片樣品；（b）熱電制冷片封裝示意圖

4.5 高溫電子器件 （HTE）封裝

航空航天、深海鉆探、汽車等領(lǐng)域電子器件需要能夠在極端環(huán)境（如高溫、高濕、高壓、高腐蝕、高輻射、高頻振動(dòng)等） 下工作，因此封裝材料必須具有高耐熱性和抗?jié)裥裕瑫r(shí)器件芯片必須密封于腔體中，避免外界環(huán)境的侵蝕和破壞。前述三維陶瓷基板（如HTCC、LTCC、MPC和DMC等） 具有高強(qiáng)度腔體結(jié)構(gòu)，氣密性良好，可滿足惡劣環(huán)境下器件封裝要求，如圖 33所示。

圖33 采用LTCC氣密封裝的晶振及其封裝結(jié)構(gòu)圖

4.6 其他功率器件封裝

因具有良好的導(dǎo)熱性、耐熱性和可靠性，陶瓷基板也同樣應(yīng)用在很多其他功率或高溫器件封裝 中。如聚焦光伏器件封裝，由于聚焦作用導(dǎo)致太陽(yáng)光密度增加，芯片溫度升高，必須采用陶瓷基板強(qiáng)化散熱，如圖 34 所示。此外，在微波射頻領(lǐng)域，為了降低損耗，需采用高頻特性良好的HTCC 或LTCC基板來(lái)提高速度，如圖35所示。

圖 34 聚焦光伏模組 （CPV）及其封裝示意圖

圖35汽車傳感器及射頻器件

05

陶瓷基板發(fā)展趨勢(shì)分析

陶瓷基板具有高導(dǎo)熱、高耐熱、高絕緣、高強(qiáng)度、低熱脹、耐腐蝕及抗輻射等特點(diǎn)，在功率器件及高溫電子器件封裝中得到廣泛應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)不斷發(fā)展，功率器件也將逐漸向大功率、小型化、集成化、多功能等方向發(fā)展，對(duì)封裝用陶瓷基板性能也提出了更高要求，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

陶瓷基片材料多樣化

氧化鋁 （Al2O3）材料熱導(dǎo)率低，熱膨脹系數(shù)較高，但因其技術(shù)成熟，成 本低，綜合性價(jià)比高，將在今后很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)占據(jù)陶瓷基板主導(dǎo)地位。氮化鋁（AlN）材料熱導(dǎo)率高，熱膨脹系數(shù)低，但價(jià)格高，目前僅限于導(dǎo)熱性能要求較高的功率器件（如LD）封裝。氮化硅（Si3N4）材料熱導(dǎo)率適中，熱膨脹系數(shù)小，抗彎強(qiáng)度高（大于800MPa），是一種很有潛力的功率器件封裝基 板材料，特別是在大功率、大溫變、高可靠的電力電子器件 （如 IGBT）封裝。

但總體而言，目前陶瓷基片價(jià)格偏高，原因在于國(guó)內(nèi)陶瓷基片廠家大多依賴進(jìn)口陶瓷粉料。因此今后陶瓷基片主要研究方向包括超細(xì)、超純粉料制備，多元助燒劑 （主要為堿金屬氧化物和稀土元素）組合，無(wú)害、高效、 高精度成型技術(shù)及先進(jìn)燒結(jié)技術(shù)研發(fā)，從而不斷降低陶瓷基片成本。

陶瓷基板高精度與小型化

為了滿足器件小型化發(fā)展要求，必須不斷提高陶瓷基板線路層加工精度（線寬/線距）。對(duì)于TPC、HTCC/LTCC和MSC陶瓷基板，其線路層采用絲網(wǎng)印刷金屬漿料制備，圖形精度較 低（一般大于100μm）。對(duì)于DBC和AMB陶瓷基板，其線路層通過(guò)濕法腐蝕金屬銅層得到，由于 銅層較厚，其圖形精度也較低（一般大于200μm）。而對(duì)于DPC、MPC和DMC陶瓷基板，其線路 層通過(guò)圖形電鍍生長(zhǎng)制備，圖形精度高 （一般可控制在小于 50μm，取決于線路層厚度）。因此，對(duì) 于集成度較高和小型化功率器件封裝，開(kāi)始逐漸采用圖形精度較高的DPC陶瓷基板（如圖36）。

圖 36 高精度DPC 基板及其封裝的小型熱電制冷器（TEC） 陶瓷基板集成化

一般而言，TPC、DBC 和AMB陶瓷基板只適合制備單面線路層（或雙面線路層，但上下層不導(dǎo)通）。如果要實(shí)現(xiàn)上下層導(dǎo)通，需要先激光打孔（孔徑一般大于200μm），然后孔內(nèi)填充金屬漿料后燒結(jié)而成，孔內(nèi)金屬層導(dǎo)電、導(dǎo)熱性差，基板可靠性低。HTCC/LTCC基板采用多層生胚片疊加（金屬通孔對(duì)準(zhǔn)）后燒結(jié)制備，因此可實(shí)現(xiàn)基板內(nèi)垂直互連，提高封裝集成度，但HTCC/LTCC基板電阻率大，電流通載能力低。

DPC 陶瓷基板采用激光打孔（孔徑一般為60 μm ~120 μm）和電鍍填孔技術(shù)制備金屬通孔，由于孔內(nèi)電鍍填充致密銅柱，導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)良，因而可實(shí)現(xiàn)陶瓷基板上下線路層垂直互連。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)電鍍?cè)龊竦燃夹g(shù)制備圍壩，可得到含圍壩結(jié)構(gòu)的三維陶瓷基板；如果采用焊接/粘接技術(shù)實(shí)現(xiàn)多片DPC基板垂直集成，則可以進(jìn)一步得到多層陶瓷基板 （Multilayer Ceramic Substrate， MLC，如圖37），滿足功率器件三維封裝和異質(zhì)集成需求。

圖 37 多層陶瓷基板及其封裝集成 面向具體應(yīng)用的陶瓷基板技術(shù)研發(fā)

一方面，隨著第三代半導(dǎo)體 （包括 GaN、SiC、AlN 等）技 術(shù)發(fā)展，功率器件開(kāi)始在半導(dǎo)體照明、電力電子、微波射頻、5G 通信、新能源及新能源汽車等領(lǐng)域飛速發(fā)展，對(duì)陶瓷基板需求激增。目前由于陶瓷基板制備技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)缺失，國(guó)內(nèi)企業(yè)主要跟蹤美國(guó)、日本等技術(shù)先進(jìn)國(guó)家進(jìn)行研發(fā)與生產(chǎn)，高端產(chǎn)品（特別是圖形精度高、電流通載能力強(qiáng)等）完全依賴進(jìn)口；另一方面，航空航天、武器裝備、深海鉆探、汽車電子等領(lǐng)域惡劣環(huán)境（高溫、超低溫、大溫變、高濕、強(qiáng)腐蝕、高輻射、高頻振動(dòng)等） 對(duì)封裝陶瓷基板也提出了新要求（解決陶瓷基板體積 和重量大、耐熱性差、可靠性差等問(wèn)題）。

總體而言，陶瓷基板在功率器件封裝中占據(jù)舉足輕重的作用，是各國(guó)重點(diǎn)研發(fā)的關(guān)鍵電子材料。因此迫切需要加強(qiáng)陶瓷基板核心技術(shù)研發(fā) （包括陶瓷粉料、基片及基板制備技術(shù)等），滿足國(guó)內(nèi)飛速 發(fā)展的市場(chǎng)需求。

06

結(jié)束語(yǔ)

鑒于陶瓷具有良好的導(dǎo)熱性、耐熱性、高絕緣、高強(qiáng)度、低熱脹、耐腐蝕和抗輻射等優(yōu)點(diǎn)，陶瓷基板在功率器件和高溫電子器件封裝中得到廣泛應(yīng)用。目前，陶瓷基片材料主要有Al2O3、AlN、Si3N4、SiC、BeO 和BN。由于Al2O3和AlN具有較好的綜合性能，兩者分別在低端和高端陶瓷基板市場(chǎng)占據(jù)主流，而Si3N4基板由于抗彎強(qiáng)度高，今后有望在高功率、大溫變電力電子器件（如IGBT）封裝領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

平面陶瓷基板主要包括薄膜陶瓷基板 （TFC）、厚膜印刷陶瓷基板（TPC）、直接鍵合陶瓷基板（DBC）、活性金屬焊接陶瓷基板 （AMB）、直接電鍍陶瓷基板 （DPC） 和激光活化金屬陶瓷基板（LAM）等。其中，TFC 基板圖形精度高，但金屬層較薄，主要應(yīng)用于小電流光電器件封裝；TPC基板耐熱 性好，成本低，但線路層精度差，主要應(yīng)用于汽車傳感器等領(lǐng)域；DBC和AMB基板線路層較厚， 耐熱性較好，主要應(yīng)用于高功率、大溫變的 IGBT 封裝；DPC基板具有圖形精度高、可垂直互連等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于大功率LED 封裝；而LAM基板則滿足了航空航天領(lǐng)域異型陶瓷結(jié)構(gòu)件散熱需求。

為了實(shí)現(xiàn)器件氣密封裝，業(yè)界開(kāi)發(fā)了多種三維陶瓷基板制備技術(shù)，主要包括高溫/低溫共燒陶瓷基板 （HTCC/LTCC）、多層燒結(jié)三維陶瓷基板 （MSC）、直接粘結(jié)三維陶瓷基板（DAC）、多層鍍銅三 維陶瓷基板 （MPC） 和直接成型三維陶瓷基板 （DMC） 等。

其中，HTCC/LTCC、MSC基板均采用絲 網(wǎng)印刷與高溫?zé)Y(jié)工藝制備，腔體可靠性高，但金屬線路層精度較差；MPC、DAC和DMC基板通過(guò)在DPC基板上電鍍、粘接和固化成型圍壩，具有金屬線路層精度高，圍壩與基板結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu) 點(diǎn)，有望在今后的功率器件氣密封裝、三維封裝與集成領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。后期陶瓷基板將主要沿著高精度、小型化、集成化方向發(fā)展。

審核編輯 ：李倩