高導熱絕緣材料 | 陶瓷基板DSC、DPC、DBC、AMB簡介

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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”重點發(fā)展的十大領(lǐng)域之一，同時是 21 世紀最具發(fā)展?jié)摿Σξ磥戆l(fā)展有著巨大影響的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。當下隨著人工智能、集成電路以及新能源領(lǐng)域的飛速發(fā)展，人們對電子元器件的要求也逐漸增高。

當下，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，散熱問題越來越嚴重。散熱不良將導致器件性能惡化、結(jié)構(gòu)損壞、分層或燒毀。統(tǒng)計表明，電子元器件由于熱損耗引起的失效高達 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)性能兩個部分。從封裝角度出發(fā)，器件散熱主要依靠熱傳導方式，熱量沿著芯片-鍵合層-基板-散熱器傳導，最后通過對流耗散到空氣中。陶瓷基板作為大功率半導體器件重要的散熱通道，其選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計對性能至關(guān)重要。因此選擇一種兼具高熱導率與良好力學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。

陶瓷基板可廣泛應用于大功率LED 照明、汽車大燈等車載激光雷達、大功率 LED 照明、半導體激光器、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)過程較為復雜繁瑣，其主要體現(xiàn)在三個方面，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。此時還并不能直接應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)高溫燒結(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 在對圖形精度要求不高的電子封裝中得到一定應用；

（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。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)合強度，通常在金屬漿料中添加少量玻璃相，這會不可避免地降低金屬布線層的電導率和熱導率。因此厚膜印刷陶瓷基板僅應用于對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 具有導熱性好、 絕緣性強、可靠性高等優(yōu)點，已廣泛應用于 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，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。

（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洶洶！！

因?qū)ρ鹾坑袊栏竦南拗?，DBA對設(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，不適合精細線路的制作，使其推廣和應用受到限制。

（5）DPC：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：(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（線寬尺寸20~30 m，表面平整度低于0.3 m，線路對準精度誤差小于±1%），因此DPC基板非常適合對準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，從而實現(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。
（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電層的新型金屬化工藝；

相對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：采用DSC技術(shù)制備的金屬導電層與陶瓷基板之間結(jié)合強度大幅度提高、金屬導電層表面平滑、組織結(jié)構(gòu)致密，導電性好、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)合強度高，線路層表面平整，粗糙度在納米級別。但其難以大批量生產(chǎn)，價格極高，目前主要應用于航空航天領(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原材料之一，對整個功能陶瓷的生產(chǎn)及其成本控制有著較大的影響。當下仍有許多重要的功能陶瓷粉體無法達到高品質(zhì)的生產(chǎn)要求，仍然依賴進口。陶瓷粉體的化學成分、顆粒度、結(jié)構(gòu)、以及整個制備過程中容易發(fā)生團聚和吸潮等現(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、NCI 化學、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)達到國際領(lǐng)先水平，綜合性能得到中游客戶認可，價格優(yōu)勢明顯，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，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、反應條件、燒結(jié)裝備等等因素對于產(chǎn)品的質(zhì)量有著決定性的影響。

3.3 客戶認證
經(jīng)過從粉體到覆銅板的復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，只能對整個器件進行更換。因此對于下游的客戶來說陶瓷基板產(chǎn)品的選用會非常的謹慎和嚴苛，尤其是在汽車、航空航天等領(lǐng)域，對陶瓷基板的理化性能測試以及老化和極端環(huán)境測試可能長達一年甚至更久。更重要的是下游客戶對于陶瓷基板的采購有著不同的認證標準，這些產(chǎn)品需按照客戶的要求進行認證。我國該領(lǐng)域的起步發(fā)展較晚，國外企業(yè)已經(jīng)在各個下游用戶的供應鏈中占據(jù)非常穩(wěn)定的地位，對于用戶來說一般選用了陶瓷基板的供應商后，如果要更換供應商是非常困難的一件事，因此一般下游客戶不會輕易更換供應商。