深入了解陶瓷基板金属化，陶瓷与金属的完美结合

在大功率电子器件使用中为实现芯片与电子元件之间的互联，陶瓷作为封装基板材料，需对其表面进行金属化处理。陶瓷金属化有如下要求：优良的密封性，金属导电层的方阻和电阻率小，同时与陶瓷基板具有较强的附着力，陶瓷经金属化后仍需具备高的热导率。因此延展性优良、导热性和导电性高的 Cu，成为在功率电子器件中最常用的材料，图 1为陶瓷基板覆铜示意图。

图1 陶瓷基板覆铜示意图

虽然陶瓷具有相较于其他两种封装基板有着更为优异的综合性能，但是由于陶瓷材料作为强共价键型化合物，其电子配位十分稳定，不易与其他材料反应，并且与常见金属之间的润湿困难，而陶瓷基板表面金属化后的性能与功率电子器件在工作时的稳定性关系密切，故制约陶瓷封装基板广泛应用的原因便在于此，因此探究陶瓷表面金属化意义重大。目前常见的陶瓷金属化的方法主要包括化学镀金属化、直接覆铜金属化、厚膜金属化、薄膜金属化等 。以下是斯利通整理的几类陶瓷封装金属化工艺。表 1为不同陶瓷金属化方法的优缺点。

表 1 陶瓷金属化方法及其优缺点

化学镀金属化

化学镀金属化是指通过化学反应的方法，金属离子借助还原剂还原成金属，并沉积到基底材料表面的方法 ，核心在于通过可控制的氧化还原反应产生金属层，图 1.1 为化学镀过程示意图。化学镀铜即将溶液中的Cu 2+ 还原成Cu原子，并在催化活性的基板上沉积，反应原理可用下式表示：

第一步：Cu 2+ 在阴极被还原成 Cu 原子，如式 1-1 所示；

第二步：甲醛在阳极提供反应所需的电子，如式 1-2 所示；

第三步：化学镀铜的氧化还原方程式，如式 1-3 所示。

图 1.1 化学镀铜流程示意图

直接覆铜金属化

直接覆铜金属化是指在高温、弱氧氛围中利用 Cu 的含氧共晶液直接将 Cu 箔覆接在

陶瓷表面的方法，主要用于 Al 2 O 3 和 AlN 陶瓷表面。原理为 Cu 与 O 反应生成的 Cu 2 O 和CuO，在 1060-1083 ℃温度范围内可以与基板中 Al 反应生成 CuAlO 2 和 CuAl 2 O 4 的尖晶石物质，促使陶瓷与 Cu 可以形成较高的结合强度，在对 AlN 陶瓷基板进行直接覆铜金属化时，需先对 AlN 进行氧化处理，在其表面形成 Al 2 O 3 ，图 2.1 为 AlN 直接覆铜金属化的流程示意图。反应式如下：

图 2.1  AlN 直接覆铜金属化流程示意图厚膜金属化

厚膜金属化

厚膜金属化是将金属浆料通过丝网印刷的方法涂敷在陶瓷表面，然后经高温干燥热处理后形成金属化陶瓷基板的技术。图 3.1 为丝网印刷工艺示意图，其中浆料主要由功能相、粘结剂、有机载体组成，功能相是厚膜浆料中主体，即在陶瓷表面经涂覆金属粉末后经热处理工艺形成的金属膜层；粘结剂是玻璃相或氧化物等经高温烧结后，提升金属膜层与陶瓷基板之间的附着力；有机载体是用于提升有机浆料表面活性，使得浆料混合更加均匀的有机溶剂或表面活性剂。

图 3.1 丝网印刷工艺示意图

薄膜金属化

薄膜金属化是在高真空条件下，用物理方法将固体材料表层电离为离子，随后经过低压气体在陶瓷基板表面沉积所需薄膜的工艺，即物理气相沉积技术( Physical Vapour Deposition ，PVD )，主要包括有磁控溅射镀膜、离子镀膜、电弧镀等。图 4.1 为磁控溅射镀膜的原理图，核心在于 Ar 2+ 经电场加速后轰击由欲被溅射物质做成的靶电极，当离子能量合适的情况下，Ar 2+ 会将靶材表面的原子溅射出来进而会沿着一定的方向射向衬底，从而实现薄膜的沉积。

图 4.1 磁控溅射原理示意图

上述几种陶瓷基板金属化方法，各有优缺点，化学镀金属化，具备很高的生产效率，可以实现批量化生产，但是，金属层与陶瓷基板之间结合力有限，不能满足很多特定的应用场景。直接覆铜金属化，也就是高温烧结法，在满足生产效率的同时，金属层和陶瓷基板具备一定的结合强度，是当前比较常见的一种生产工艺，但是，由于其是采用高温烧结的方式进行的金属化覆膜，因此，限制了很多低熔点金属的应用。厚膜金属化，也就是丝网印刷，生产简单可操作，但是，其对于金属化厚度和线宽线距的精度不能实现很好的控制，无法生产高精度的精密线路。薄膜金属化，也就是磁控溅射，利用了范德华力的原理，使得金属层和陶瓷基板具有很强的结合力，但是，生产效率低下，同时，也只能形成很薄的金属层，通常在纳米级别。

富力天晟科技公司有效利用几种金属化工艺相结合的方法，在生产工艺流程中，首先，通过磁控溅射工艺（薄膜金属化）在陶瓷基板表面形成50-300nm的金属种子层（钛层50-100nm，铜层100-300nm），金属种子层与陶瓷基板之间通过范德华力结合，然后，再通过电镀（化学镀）在金属种子层上增加金属厚度，通过这种方式，比单纯通过磁控溅射或者化学镀的方法生产出来的陶瓷基板线路性能要优良很多，一方面，可以有效加强金属层与陶瓷基板的结合强度，另一方面，也可以实现不同层厚（厚度1000μm）的金属化生产。

富力天晟科技公司经过多年的发展，已经和国内外数千家半导体、芯片、传感器、通信、射频器件、大功率照明等企业建立长期稳定的合作关系，为各大公司生产符合客户要求的高性能陶瓷基板精密线路产品，提供专业的一站式解决方案，成为客户新产品研发、技术迭代创新、公司发展过程中的重要战略伙伴。

　　审核编辑：汤梓红