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(dǎo)率高、化學(xué)穩(wěn)定性佳、熱穩(wěn)定性和熔點(diǎn)高等優(yōu)點(diǎn)。在電子線路的設(shè)計(jì)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(dǎo)熱通路以及用來(lái)制造各種電子元件，廣泛應(yīng)用于功率電子、電子封裝、混合微電子與多芯片模塊等領(lǐng)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?yàn)樵?a target="_blank">機(jī)械、熱、電性能上相對(duì)于大多數(shù)其他氧化物陶瓷，強(qiáng)度及化學(xué)穩(wěn)定性高，且原料來(lái)源豐富，適用于各種各樣的技術(shù)制造以及不同的形狀。

② BeO

具有比金屬鋁還高的熱導(dǎo)率，應(yīng)用于需要高熱導(dǎo)的場(chǎng)合，但溫度超過(guò)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(gè)非常重要的性能值得注意：一個(gè)是高的熱導(dǎo)率，一個(gè)是與Si相匹配的膨脹系數(shù)。缺點(diǎn)是即使在表面有非常薄的氧化層也會(huì)對(duì)熱導(dǎo)

率產(chǎn)生影響，只有對(duì)材料和工藝進(jìn)行嚴(yán)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(chǎn)技術(shù)國(guó)內(nèi)還是不成熟，相對(duì)于Al?O?，AlN價(jià)格相對(duì)偏高許多，這個(gè)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(lǐng)域還是處于主導(dǎo)地位而被大量運(yùn)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(diǎn)和硬度都很高，這一點(diǎn)限制了陶瓷機(jī)械加工的可能性，因此陶瓷基板中常常摻雜熔點(diǎn)較低的玻璃用于助熔或者粘接，使最終產(chǎn)品易于機(jī)械加工。

陶瓷基片→陶瓷基板

Al?O?、BeO、AlN基板制備過(guò)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(jī)粘接劑和不同的增塑劑再通過(guò)球磨防止團(tuán)聚使成分均勻，成型生瓷片，最后高溫?zé)Y(jié)。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(gè)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(duì)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(guò)鋒利的刀刃涂復(fù)在一個(gè)移動(dòng)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(nèi)并施加很大的壓力（約138MPa）下燒結(jié)，盡管壓力不均勻可能產(chǎn)生過(guò)度翹曲但這一工藝生產(chǎn)的燒結(jié)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?chē)鸀樗蛘邽楦视偷哪＜笆褂酶哌_(dá)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(guò)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(jīng)濟(jì)，并且可以得到比其他方法更薄的部件。

陶瓷基板種類(lèi)及其特點(diǎn)

現(xiàn)階段的陶瓷散熱基板種類(lèi)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(chēng)為低溫共燒多層陶瓷基板，此技術(shù)須先將無(wú)機(jī)的氧化鋁粉與約30%~50%的玻璃材料加上有機(jī)黏結(jié)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(jīng)由一道干燥過(guò)程將片狀漿料形成一片片薄薄的生胚，然后依各層的設(shè)計(jì)鉆導(dǎo)通孔，作為各層訊號(hào)的傳遞，LTCC內(nèi)部線路則運(yùn)用網(wǎng)版印刷技術(shù)，分別于生胚上做填孔及印制線路，內(nèi)外電極則可分別使用銀、銅、金等金屬，最后將各層做疊層動(dòng)作，放置于850~900℃的燒結(jié)爐中燒結(jié)成型，即可完成。

②HTCC（High-Temperature Co-fired Ceramic）

HTCC又稱(chēng)為高溫共燒多層陶瓷，生產(chǎn)制造過(guò)程與LTCC極為相似，主要的差異點(diǎn)在于HTCC的陶瓷粉末并無(wú)加入玻璃材質(zhì)，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(dǎo)通孔，以網(wǎng)版印刷技術(shù)填孔與印制線路，因其共燒溫度較高，使得金屬導(dǎo)體材料的選擇受限，其主要的材料為熔點(diǎn)較高但導(dǎo)電性卻較差的鎢、鉬、錳…等金屬，最后再疊層燒結(jié)成型。

③ DBC（Direct Bonded Copper）

直接敷銅技術(shù)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(guò)程前或過(guò)程中在銅與陶瓷之間引入適量的氧元素，在1065℃~1083℃范圍內(nèi)，銅與氧形成Cu-O共晶液，DBC技術(shù)利用該共晶液一方面與陶瓷基板發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成CuAlO2或CuAl2O4相，另一方面浸潤(rùn)銅箔實(shí)現(xiàn)陶瓷基板與銅板的結(jié)合。直接敷銅陶瓷基板由于同時(shí)具備銅的優(yōu)良導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度高、低介電損耗的優(yōu)點(diǎn)，所以得到廣泛的應(yīng)用。

④ DBA（Direct Bonded Aluminum）

直接敷鋁陶瓷基板（DBA）是基于DBC工藝技術(shù)發(fā)展起來(lái)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。利用鋁在液態(tài)下對(duì)陶瓷有著較好的潤(rùn)濕性以實(shí)現(xiàn)二者的敷接。當(dāng)溫度升至660℃以上時(shí)，固態(tài)鋁發(fā)生液化，當(dāng)液態(tài)鋁潤(rùn)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(jié)晶生長(zhǎng)，冷卻到室溫實(shí)現(xiàn)兩者的結(jié)合。

AlN-DBC

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(duì)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(yīng)用在日本汽車(chē)工業(yè)上。DAB基板在對(duì)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(dòng)化、航空航天等。

⑤ DPC（Direct Plate Copper）

DPC亦稱(chēng)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(zhuān)業(yè)制造技術(shù)－真空鍍膜方式于陶瓷基板上濺鍍結(jié)合于銅金屬?gòu)?fù)合層，接著以黃光微影之光阻被復(fù)曝光、顯影、蝕刻、去膜工藝完成線路制作，最后再以電鍍/化學(xué)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(rùn)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)。首先通過(guò)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(wú)氧銅層裝夾，在真空釬焊爐中進(jìn)行高溫焊接，然后刻蝕出圖形制作電路，最后再對(duì)表面圖形進(jìn)行化學(xué)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(jié)合強(qiáng)度和冷熱循環(huán)特性。目前，隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，高鐵上的大功率器件控制模塊對(duì)IGBT模塊封裝的關(guān)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(yīng)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(dá)到5000次，可承載大于300A的電流，已用于電動(dòng)汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域。特別是，該產(chǎn)品采用活性金屬焊接工藝將多層無(wú)氧銅與氮化硅陶瓷鍵合，同時(shí)采用銅柱焊接實(shí)現(xiàn)垂直互聯(lián)，對(duì)IGBT模塊小型化、高可靠性等要求有較好的促進(jìn)作用。

陶瓷基板特性分析

① 熱傳導(dǎo)率

熱導(dǎo)率代表了基板材料本身直接傳導(dǎo)熱能的一種能力，數(shù)值愈高代表其散熱能力愈好。在LED領(lǐng)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(dǎo)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(zhǎng)LED壽命，因此，散熱基板熱傳導(dǎo)效果的優(yōu)劣就成為業(yè)界在選用散熱基板時(shí)，重要的評(píng)估項(xiàng)目之一。

② 操作環(huán)境溫度

操作環(huán)境溫度，主要是指產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中，使用到最高工藝溫度，而對(duì)生產(chǎn)工藝而言，所使用的溫度愈高，相對(duì)的制造成本也愈高，且良率不易掌控。HTCC工藝本身即因?yàn)樘沾煞勰┎牧铣煞值牟煌涔に嚋囟燃s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(jié)成型，使得各層會(huì)有收縮比例問(wèn)題，為解決此問(wèn)題相關(guān)業(yè)者也在努力尋求解決方案中。

另一方面，DBC對(duì)工藝溫度精準(zhǔn)度要求十分嚴(yán)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(jié)合，若生產(chǎn)工藝的溫度不夠穩(wěn)定，勢(shì)必會(huì)造成良率偏低的現(xiàn)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(duì)于材料所造成的破壞或尺寸變異的現(xiàn)象，也排除了制造成本費(fèi)用高的問(wèn)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(shù)完成，由于線路制造/成型的方法直接影響了線路精準(zhǔn)度、表面粗糙鍍、對(duì)位精準(zhǔn)度…等特性，因此在高功率小尺寸的精細(xì)線路需求下，工藝分辨率便成了必須要考慮的重要項(xiàng)目之一。

LTCC與HTCC均是采用厚膜印刷技術(shù)完成線路制作，厚膜印刷本身即受限于網(wǎng)版張力問(wèn)題，一般而言，其線路表面較為粗糙，且容易造成有對(duì)位不精準(zhǔn)與累進(jìn)公差過(guò)大等現(xiàn)象。此外，多層陶瓷疊壓燒結(jié)工藝，還有收縮比例的問(wèn)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(biāo)準(zhǔn)）。

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(xué)鍍沉積方式增加線路的厚度，DPC金屬線路厚度可依產(chǎn)品實(shí)際需求（金屬厚度與線路分辨率）而設(shè)計(jì)。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(jié)收縮比例及厚膜工藝的網(wǎng)版張網(wǎng)問(wèn)題。

④ 陶瓷散熱基板之應(yīng)用

陶瓷散熱基板會(huì)因應(yīng)需求及應(yīng)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(chǎn)品制造方法的不同，作出基本的區(qū)分。LTCC散熱基板在LED產(chǎn)品的應(yīng)用上，大多以大尺寸高功率以及小尺寸低功率產(chǎn)品為主，基本上外觀大多呈現(xiàn)凹杯狀，且依客戶(hù)端的需求可制作出有導(dǎo)線架&沒(méi)有導(dǎo)線架兩種散熱基板，凹杯形狀主要是針對(duì)封裝工藝采用較簡(jiǎn)易的點(diǎn)膠方式封裝成型所設(shè)計(jì)，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(chǎn)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(zhǔn)度不足以符合高功率小尺寸的LED產(chǎn)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?yàn)镠TCC采用1300~1600℃高溫干燥硬化，使生產(chǎn)成本的增加，相對(duì)的HTCC基板費(fèi)用也高，因此對(duì)極力朝低成本趨向邁進(jìn)LED產(chǎn)業(yè)而言，面臨了較嚴(yán)苛的考驗(yàn)HTCC。

另一方面，DBC與DPC則與LTCC/HTCC不僅有外觀上的差異，連LED產(chǎn)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(jù)客戶(hù)需求切割成小尺寸產(chǎn)品，輔以共晶/復(fù)晶工藝，結(jié)合已非常純熟的螢光粉涂布技術(shù)及高階封裝工藝技術(shù)鑄膜成型，可大幅的提升LED的發(fā)光效率。

然而，DBC產(chǎn)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(xì)線路產(chǎn)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(wèn)題，使得DBC產(chǎn)品不易于共晶/復(fù)晶工藝高線路精準(zhǔn)度與高平整度的要求之應(yīng)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(zhǔn)度與高表面平整度的的特性，非常適用于復(fù)晶/共晶接合方式的工藝，能夠大幅減少LED產(chǎn)品的導(dǎo)線截面積，進(jìn)而提升散熱的效率。

審核編輯：湯梓紅