熱管理材料系列：常見陶瓷基板PCB板介紹

熱設(shè)計(jì)網(wǎng) 2020-11-21

陶瓷基板是指銅箔在高溫下直接鍵合到氧化鋁(Al2O3)或氮化鋁(AlN)陶瓷基片表面( 單面或雙面)上的特殊工藝板。所制成的超薄復(fù)合基板具有優(yōu)良電絕緣性能，高導(dǎo)熱特性，優(yōu)異的軟釬焊性和高的附著強(qiáng)度，并可像PCB板一樣能刻蝕出各種圖形，具有很大的載流能力。因此，陶瓷基板已成為大功率電力電子電路結(jié)構(gòu)技術(shù)和互連技術(shù)的基礎(chǔ)材料。

陶瓷基板產(chǎn)品的問世，開啟了散熱應(yīng)用行業(yè)的新發(fā)展，由于陶瓷基板散熱特色，加上陶瓷基板具有高散熱、低熱阻、壽命長、耐電壓等優(yōu)點(diǎn)，隨著生產(chǎn)技術(shù)、設(shè)備的改良，產(chǎn)品價(jià)格加速合理化，進(jìn)而擴(kuò)大了LED產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域，如家電產(chǎn)品的指示燈、汽車車燈、路燈及戶外大型看板等。陶瓷基板的開發(fā)成功，為室內(nèi)照明和戶外亮化產(chǎn)品提供了更佳的服務(wù)，使LED產(chǎn)業(yè)未來的市場領(lǐng)域更為寬廣。

特點(diǎn)

①機(jī)械應(yīng)力強(qiáng)，形狀穩(wěn)定；高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱率、高絕緣性；結(jié)合力強(qiáng)，防腐蝕。
②較好的熱循環(huán)性能，循環(huán)次數(shù)達(dá)5萬次，可靠性高。
③與PCB板(或IMS基片)一樣可刻蝕出各種圖形的結(jié)構(gòu)；無污染、無公害。
④使用溫度寬-55℃～850℃；熱膨脹系數(shù)接近硅，簡化功率模塊的生產(chǎn)工藝。

一、按材料來分

1、氧化鋁(Al2O3)

氧化鋁基板是電子工業(yè)中最常用的基板材料，因?yàn)樵跈C(jī)械、熱、電性能上相對于大多數(shù)其他氧化物陶瓷，強(qiáng)度及化學(xué)穩(wěn)定性高，且原料來源豐富，適用于各種各樣的技術(shù)制造以及不同的形狀。斯利通氧化鋁基板已經(jīng)可以進(jìn)行三維定制。

2、氧化鈹(BeO)

具有比金屬鋁還高的熱導(dǎo)率，應(yīng)用于需要高熱導(dǎo)的場合，但溫度超過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。

氧化鈹陶瓷是以氧化鈹為主要成分的陶瓷。主要用作大規(guī)模集成電路基板，大功率氣體激光管，晶體管的散熱片外殼，微波輸出窗和中子減速劑等材料。

純氧化鈹(BeO)屬立方晶系，其密度3.03g/cm3。熔點(diǎn)2570℃，具有很高的導(dǎo)熱性，幾乎與紫銅純鋁相等，導(dǎo)熱系數(shù)λ為200-250W/(m.K)，還有很好的抗熱震性。其介電常數(shù)6～7（0.1MHz)。介質(zhì)損耗角正切值約為4×10-4(0.1GHz)。最大缺點(diǎn)是粉末有劇毒性，且使接觸傷口難于愈合。以氧化鈹粉末為原料加入氧化鋁等配料經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。制造這種陶瓷需要良好的防護(hù)措施。氧化鈹在含有水氣的高溫介質(zhì)中，揮發(fā)性會提高，1000℃開始揮發(fā)，并隨溫度升高揮發(fā)量增大，這就給生產(chǎn)帶來困難，有些國家已不生產(chǎn)。但制品性能優(yōu)異，雖價(jià)格較高，仍有相當(dāng)大的需求量。

3 、氮化鋁(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對熱導(dǎo)率產(chǎn)生影響，只有對材料和工藝進(jìn)行嚴(yán)格控制才能制造出一致性較好的AlN基板。AlN生產(chǎn)技術(shù)國內(nèi)像斯利通這樣能大規(guī)模生產(chǎn)的少之又少，相對于Al2O3，AlN價(jià)格相對偏高許多，這個(gè)也是制約其發(fā)展的小瓶頸。不過隨著經(jīng)濟(jì)的提升，技術(shù)的升級，這種瓶頸終會消失。

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。

AlN最高可穩(wěn)定到2200℃。室溫強(qiáng)度高，且強(qiáng)度隨溫度的升高下降較慢。導(dǎo)熱性好，熱膨脹系數(shù)小，是良好的耐熱沖擊材料。抗熔融金屬侵蝕的能力強(qiáng)，是熔鑄純鐵、鋁或鋁合金理想的坩堝材料。氮化鋁還是電絕緣體，介電性能良好，用作電器元件也很有希望。砷化鎵表面的氮化鋁涂層，能保護(hù)它在退火時(shí)免受離子的注入。氮化鋁還是由六方氮化硼轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎降鸬拇呋瘎Ｊ覝叵屡c水緩慢反應(yīng).可由鋁粉在氨或氮?dú)夥罩?00~1000℃合成，產(chǎn)物為白色到灰藍(lán)色粉末。或由Al2O3-C-N2體系在1600~1750℃反應(yīng)合成，產(chǎn)物為灰白色粉末。或氯化鋁與氨經(jīng)氣相反應(yīng)制得.涂層可由AlCl3-NH3體系通過氣相沉積法合成。

4.氮化硅 (Si3N4)

羅杰斯公司于2012年推出了新款 curamik?系列氮化硅 (Si3N4) 陶瓷基板。由于氮化硅的機(jī)械強(qiáng)度比其它陶瓷高，所以新款curamik? 基板能夠幫助設(shè)計(jì)者在嚴(yán)苛的工作環(huán)境以及 HEV/EV 和其它可再生能源應(yīng)用條件下實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要的長壽命。

采用氮化硅制成的新款陶瓷基板的撓曲強(qiáng)度比采用 Al2O3和 AlN 制成的基板高。

Si3N4的斷裂韌性甚至超過了氧化鋯摻雜陶瓷。

時(shí)至今日，功率模塊內(nèi)使用的覆銅陶瓷基板的可靠性一直受制于陶瓷較低的撓曲強(qiáng)度，而后者會降低熱循環(huán)能力。對于那些整合了極端熱和機(jī)械應(yīng)力的應(yīng)用（例如混合動力汽車和電動汽車 (HEV/EV) 而言，目前常用的陶瓷基板不是最佳選擇。基板（陶瓷）和導(dǎo)體（銅）的熱膨脹系數(shù)存在很大差異，會在熱循環(huán)期間對鍵合區(qū)產(chǎn)生壓力，進(jìn)而降低可靠性。在今年的 PCIM 展上羅杰斯公司推出的該款 curamik? 系列氮化硅 (Si3N4) 陶瓷基板，將使電力電子模塊的壽命延長10倍之多。

隨著 HEV/EV 和可再生能源應(yīng)用的增長，設(shè)計(jì)者找到了新方法來確保這些推動極具挑戰(zhàn)性的新技術(shù)發(fā)展所需的電子元件的可靠性。由于工作壽命比電力電子使用的其它陶瓷長10倍或者更高，所以氮化硅基板能夠提供對于達(dá)到必要的可靠性要求至關(guān)重要的機(jī)械強(qiáng)度。陶瓷基板的壽命是由在不出現(xiàn)剝離和其它影響電路功能與安全的故障的情況下，基板可以承受的熱循環(huán)重復(fù)次數(shù)來衡量的。該測試通常是通過從 -55°C 到 125°C 或者 150°C 對樣品進(jìn)行循環(huán)運(yùn)行來完成的。

curamik? 產(chǎn)品市場經(jīng)理 Manfred Goetz 說：“我們目前的測試結(jié)果（-55°C至150°C）表明，curamik? 氮化硅基板的使用壽命比汽車市場，特別是 HEV/EV，通常使用的基板長十倍以上。同樣使用氮化硅基板也令整個(gè)模塊的壽命大大提升。”

使用壽命的延長對于所有將大型半導(dǎo)體晶片直接鍵合到基板上的功率模塊應(yīng)用而言都至關(guān)重要，并且對結(jié)溫較高（高達(dá)250°C）的 SiC 和 GaN 晶片尤為重要。curamik? 氮化硅基板的熱導(dǎo)率為 90 W/mK，超過了市面上其它基板的平均值。

新款基板的機(jī)械強(qiáng)度使我們能夠利用更薄的陶瓷層，從而降低了熱阻，提高了功率密度，削減了系統(tǒng)成本。

與Al2O3 和 AlN 基板相比，其撓曲強(qiáng)度改善了很多, 設(shè)計(jì)師們將因此而受益。氮化硅的斷裂韌性甚至超過了氧化鋯摻雜陶瓷，在 90 W/mK 的熱導(dǎo)率下達(dá)到了6.5~7 MPa/√m。

二、按制造工藝來分

現(xiàn)階段較普遍的陶瓷散熱基板種類共有HTCC、LTCC、DBC、DPC、LAM五種，其中LAM屬于斯利通與華中科技大學(xué)國家光電實(shí)驗(yàn)室合作的專利技術(shù)，HTCC\LTCC都屬于燒結(jié)工藝，成本都會較高。

而DBC與DPC則為國內(nèi)近年來才開發(fā)成熟，且能量產(chǎn)化的專業(yè)技術(shù)，DBC是利用高溫加熱將Al2O3與Cu板結(jié)合，其技術(shù)瓶頸在于不易解決Al2O3與Cu板間微氣孔產(chǎn)生之問題，這使得該產(chǎn)品的量產(chǎn)能量與良率受到較大的挑戰(zhàn)，而DPC技術(shù)則是利用直接鍍銅技術(shù)，將Cu沉積于Al2O3基板之上，其工藝結(jié)合材料與薄膜工藝技術(shù)，其產(chǎn)品為近年最普遍使用的陶瓷散熱基板。然而其材料控制與工藝技術(shù)整合能力要求較高，這使得跨入DPC產(chǎn)業(yè)并能穩(wěn)定生產(chǎn)的技術(shù)門檻相對較高。LAM技術(shù)又稱作激光快速活化金屬化技術(shù)。

1、HTCC (High-Temperature Co-fired Ceramic)

HTCC又稱為高溫共燒多層陶瓷，生產(chǎn)制造過程與LTCC極為相似，主要的差異點(diǎn)在于HTCC的陶瓷粉末并無加入玻璃材質(zhì)，因此，HTCC的必須再高溫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。

2、 LTCC (Low-Temperature Co-fired Ceramic)
LTCC 又稱為低溫共燒多層陶瓷基板，此技術(shù)須先將無機(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作，放置于850~900℃的燒結(jié)爐中燒結(jié)成型，即可完成。

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程前或過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，另一方面浸潤銅箔實(shí)現(xiàn)陶瓷基板與銅板的結(jié)合。

優(yōu)越性

①陶瓷基板的熱膨脹系數(shù)接近硅芯片，可節(jié)省過渡層Mo片，省工、節(jié)材、降低成本；

②減少焊層，降低熱阻，減少空洞，提高成品率；

③在相同載流量下 0.3mm厚的銅箔線寬僅為普通印刷電路板的10%；

④優(yōu)良的導(dǎo)熱性，使芯片的封裝非常緊湊，從而使功率密度大大提高，改善系統(tǒng)和裝置的可靠性；

⑤超薄型(0.25mm)陶瓷基板可替代BeO，無環(huán)保毒性問題；

⑥載流量大，100A電流連續(xù)通過1mm寬0.3mm厚銅體，溫升約17℃；100A電流連續(xù)通過2mm寬0.3mm厚銅體，溫升僅5℃左右；

⑦熱阻低，10×10mm陶瓷基板的熱阻0.63mm厚度陶瓷基片的熱阻為0.31K/W ，0.38mm厚度陶瓷基片的熱阻為0.19K/W，0.25mm厚度陶瓷基片的熱阻為0.14K/W。

⑧絕緣耐壓高，保障人身安全和設(shè)備的防護(hù)能力。

⑨可以實(shí)現(xiàn)新的封裝和組裝方法，使產(chǎn)品高度集成，體積縮小。

性能要求

（1）機(jī)械性質(zhì)
有足夠高的機(jī)械強(qiáng)度，除搭載元件外，也能作為支持構(gòu)件使用；加工性好，尺寸精度高；容易實(shí)現(xiàn)多層化；

表面光滑，無翹曲、彎曲、微裂紋等。

（2）電學(xué)性質(zhì)
絕緣電阻及絕緣破壞電壓高；
介電常數(shù)低；
介電損耗小；
在溫度高、濕度大的條件下性能穩(wěn)定，確保可靠性。

（3）熱學(xué)性質(zhì)
熱導(dǎo)率高；
熱膨脹系數(shù)與相關(guān)材料匹配（特別是與Si的熱膨脹系數(shù)要匹配）；
耐熱性優(yōu)良。

（4）其它性質(zhì)
化學(xué)穩(wěn)定性好；容易金屬化，電路圖形與其附著力強(qiáng)；
無吸濕性；耐油、耐化學(xué)藥品；a射線放出量小；
所采用的物質(zhì)無公害、無毒性；在使用溫度范圍內(nèi)晶體結(jié)構(gòu)不變化；
原材料豐富；技術(shù)成熟；制造容易；價(jià)格低。

用途
①大功率電力半導(dǎo)體模塊；半導(dǎo)體致冷器、電子加熱器；射頻功率控制電路，功率混合電路。
②智能功率組件；高頻開關(guān)電源，固態(tài)繼電器。
③汽車電子，航天航空及軍用電子組件。
④太陽能電池板組件；電訊專用交換機(jī)，接收系統(tǒng)；激光等工業(yè)電子。

趨勢
陶瓷基板產(chǎn)品問世，開啟散熱應(yīng)用行業(yè)的發(fā)展，由于陶瓷基板散熱特色，加上陶瓷基板具有高散熱、低熱阻、壽命長、耐電壓等優(yōu)點(diǎn)，隨著生產(chǎn)技術(shù)、設(shè)備的改良，產(chǎn)品價(jià)格加速合理化，進(jìn)而擴(kuò)大LED產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域，如家電產(chǎn)品的指示燈、汽車車燈、路燈及戶外大型看板等。陶瓷基板的開發(fā)成功，更將成為室內(nèi)照明和戶外亮化產(chǎn)品提供服務(wù)，使LED產(chǎn)業(yè)未來的市場領(lǐng)域更寬廣。

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