高导热绝缘材料 | 陶瓷基板DSC、DPC、DBC、AMB简介

 

01

引言
 

 

新材料产业作为我国七大战略性新兴产业和“中国制造 2025”重点发展的十大领域之一，同时是 21 世纪最具发展潜力并对未来发展有着巨大影响的高新技术产业。当下随着人工智能、集成电路以及新能源领域的飞速发展，人们对电子元器件的要求也逐渐增高。

 

 

 

当下，电子元器件逐渐向着小型化、高密度、多功能和高可靠性方向发展，功率密度随之增加，散热问题越来越严重。散热不良将导致器件性能恶化、结构损坏、分层或烧毁。统计表明，电子元器件由于热损耗引起的失效高达 50%， 散热成为威胁安全性和可靠性的棘手问题。为保证电子元器件工作过程的稳定性，对电路板的散热能力提出了更高的要求。

 

 

 

电子元器件热管理包括封装和系统性能两个部分。从封装角度出发，器件散热主要依靠热传导方式，热量沿着芯片-键合层-基板-散热器传导，最后通过对流耗散到空气中。陶瓷基板作为大功率半导体器件重要的散热通道，其选择和结构设计对性能至关重要。因此选择一种兼具高热导率与良好力学性能的陶瓷基板材料成为解决散热问题的关键。

图1.IGBT模块封装结构示意图

 

根据制备原理与工艺不同，平面陶瓷基板可分为薄膜陶瓷基板(TFC)、厚膜印刷陶瓷基板(TPC)、直接键合铜陶瓷基板(DBC)、直接敷铝陶瓷基板(DBA)、直接电镀铜陶瓷基板(DPC)、活性金属焊接陶瓷基板(AMB)、直接溅射铜陶瓷基板(DSC)和激光活化金属陶瓷基板(LAM)等。

 

 

陶瓷基板可广泛应用于大功率LED 照明、汽车大灯等车载激光雷达、大功率 LED 照明、半导体激光器、电力电子功率器件、微波、光通讯、VCSEL、射频器件等领域，具有非常广阔的市场前景。

 

02

工艺类型

 

 

 

陶瓷基板的生产过程较为复杂繁琐，其主要体现在三个方面，包括粉体的制备、基板的制备以及金属化的过程。接下来小编简单的给大家介绍一下，粉体是通过怎么样的价格流程可以成为功率器件散热的核心产品——陶瓷基板。

 

图3.氮化铝基板加工流程示意图

来源：DPC陶瓷基板国产化突破，下游多点开花成长空间广阔

 

经过以上的工艺流程，我们就可以得到白色的氮化铝陶瓷基板。此时还并不能直接应用在功率器件的模块中，由于陶瓷是绝缘材料，需要给陶瓷进行金属化处理，处理后就可以得到功率器件散热的核“芯”——陶瓷覆铜板，金属化的工艺主要有以下几类：
 

 

（1）TFC：利用磁控溅射、真空蒸镀和电化学沉积等薄膜工艺在陶瓷基板表面形成金属层，然后通过掩膜和刻蚀等工艺形成特定的金属图形。该工艺工作温度低、布线精度高、金属层厚度可控以及金属陶瓷间结合强度高。常用于薄膜工艺的陶瓷基片材料主要有Al2O3、AlN 和 BeO等。

 

 

薄膜陶瓷基板主要应用于电流小、尺寸小、散热要求高、布线精度要求高的器件封装。经高温烧结，树脂粘合剂被燃烧掉，剩下的几乎都是纯金属，由于玻璃质粘合作用在陶瓷基板表面。烧结后的金属层厚度为 10~20μ m，最小线宽为 0.3mm。由于技术成熟，工艺简单，成本较低，TFC 在对图形精度要求不高的电子封装中得到一定应用；

 

（2）TPC：TPC采用丝网印刷工艺印刷金属布线层，制备工艺简单，对加工设备和环境要求低，具有生产效率高、制造成本低等优点。但由于丝网印刷工艺限制，TPC 基板无法获得高精度线路 ，此外，为了降低烧结温度，提高金属层与陶瓷基片结合强度，通常在金属浆料中添加少量玻璃相，这会不可避免地降低金属布线层的电导率和热导率。因此厚膜印刷陶瓷基板仅应用于对线路精度要求不高的电子器件封装，如汽车电子封装。

 

（3）DBC：是指陶瓷基片与铜箔在高温下（1065℃）共晶烧结而成，最后根据布线要求，以刻蚀方式形成线路。

 

 

 

图4.DBC工艺流程示意图

来源：DPC陶瓷基板电镀关键技术研究

DBC 具有导热性好、 绝缘性强、可靠性高等优点，已广泛应用于 IGBT、LD 和 CPV 封装。DBC 缺点在于， 其利用了高温下 Cu 与 Al2O3间的共晶反应，对设备和工艺控制要求较高，基板成本较高；由于 Al2O3 与 Cu 层间容易产生微气孔，降低了产品抗热冲击性；由于铜箔在高温下容易翘曲变形。

 

（4）DBA：DBA是基于DBC工艺技术发展起来的新型金属敷接陶瓷基板，是铝与陶瓷层键合而形成的基板，其结构与DBC 相似，也可以像PCB一样蚀刻出各式各样的图形。

图4.DBA工艺流程示意图

来源：DBA直接覆铝陶瓷基板：功率器件封装材料来势汹汹！！

因对氧含量有严格的限制，DBA对设备和工艺控制要求较高，基板制作成本较高，且表面键合铝厚度一般在100μm 以上，不适合精细线路的制作，使其推广和应用受到限制。

 

（5）DPC：是先其制作首先将陶瓷基片进行前处理清洗，利用真空溅射方式在基片表面沉积Ti/Cu 层作为种子层，接着以光刻、显影、刻蚀工艺完成线路制作，最后再以电镀/化学镀方式增加线路厚度，待光刻胶去除后完成基板制作；

 

 

 

图5.DPC工艺流程示意图

来源：DPC陶瓷基板电镀关键技术研究

DPC 技术具有如下特点：(1) 低温工艺（300 ℃以下），完全避免了高温对材料或线路结构的不利影响，也降低了制造工艺成本；(2) 采用薄膜与光刻显影技术，使基板上的金属线路更加精细（线宽尺寸 20~30 m，表面平整度低于 0.3 m，线路对准精度误差小于±1%），因此 DPC 基板非常适合对准精度要求较高的电子器件封装。 

 

（6）AMB ：在800℃左右的高温下，含有活性元素Ti、Zr 的 AgCu 焊料在陶瓷和金属的界面润湿并反应，从而实现陶瓷与金属异质键合的一种工艺技术；

 

图6.AMB工艺流程示意图

来源：洞见热管理整理

AMB工艺是金属钎料实现氮化铝与无氧铜的高温结合，以结合强度高、冷热循环可靠性好等优点，不仅具有更高的热导率、更好的铜层结合力，而且还有热阻更小、可靠性更高等优势。AMB陶瓷基板缺点在于工艺的可靠性很大程度上取决于活性钎料成分、焊工艺、舒焊层组织结构等诸多关键因素，工艺难度大，而且还要兼顾成本方面的考虑。
（7）DSC：DSC（Direct Sputtering Ceramic）技术是指使用高离化、高沉积效率的新型持续高功率磁控溅射技术（C-HPMS）直接在陶瓷基板表面沉积一定厚度的金属导电层的新型金属化工艺；
 

 

相对DPC技术，采用DSC技术制备陶瓷封装基板具有以下技术优势：采用DSC技术制备的金属导电层与陶瓷基板之间结合强度大幅度提高、金属导电层表面平滑、组织结构致密，导电性好、全真空加工环境、绿色环保、生产效率高；
（8）LAM：通过激光束加热活化需要金属化的陶瓷基板表面，然后通过电镀或化学镀形成金属化布线。该工艺无需采用光刻、显影、刻蚀等微加工工艺，通过激光直写制备线路层，且线宽由激光光斑决定，精度高，可在三维结构陶瓷表面制备线路层，突破了传统平面陶瓷基板金属化的限制，金属层与陶瓷基片结合强度高，线路层表面平整，粗糙度在纳米级别。但其难以大批量生产，价格极高，目前主要应用于航空航天领域。
 

03

技术挑战

3.1 粉体
功能陶瓷所用的粉体作为上游的重点原材料之一，对整个功能陶瓷的生产及其成本控制有着较大的影响。当下仍有许多重要的功能陶瓷粉体无法达到高品质的生产要求，仍然依赖进口。陶瓷粉体的化学成分、颗粒度、结构、以及整个制备过程中容易发生团聚和吸潮等现象直接影响后续批量化制备产品的性能和可靠性。全球超过 70%的电子陶瓷粉体材料被 Sakai 化学、NCI 化学、日本德山等日本企业垄断，尤其是高端功能陶瓷粉体材料。
伴随中国上游陶瓷粉末制备核心技术的突破，已有部分本土企业在高品质氧化物陶瓷粉未产业化方面取得新的进展。其中，粉体的分散性、均匀性、结晶性、抗老化性方面已经达到国际领先水平，综合性能得到中游客户认可，价格优势明显，可逐步替代国外同类产品。

 

3.2 陶瓷白片

 

从粉体到白片通常采用的是流延成型的工艺，流延成型的工艺为整个行业的发展提供了批量化生产的道路之一。流延成立具有工艺简单可控，操作简单可连续生产等特点，是常用的成型方法之一。但是该工艺的影响因素较多，例如分散剂、粘结剂、塑化剂以及脱泡剂的选择配比，以及流延的速度、温度等等是影响流延的生瓷带品质的因素。此外，整个工艺过程中最大的难度之一就是基板的烧结，例如烧结过程中烧结助剂的选择与添加量、反应条件、烧结装备等等因素对于产品的质量有着决定性的影响。

 

3.3 客户认证
经过从粉体到覆铜板的复杂的工艺流程加工后，最终得到了陶瓷覆铜板的成品。通常封装器件封装完成后发生故障事无法返修，只能对整个器件进行更换。因此对于下游的客户来说陶瓷基板产品的选用会非常的谨慎和严苛，尤其是在汽车、航空航天等领域，对陶瓷基板的理化性能测试以及老化和极端环境测试可能长达一年甚至更久。更重要的是下游客户对于陶瓷基板的采购有着不同的认证标准，这些产品需按照客户的要求进行认证。我国该领域的起步发展较晚，国外企业已经在各个下游用户的供应链中占据非常稳定的地位，对于用户来说一般选用了陶瓷基板的供应商后，如果要更换供应商是非常困难的一件事，因此一般下游客户不会轻易更换供应商。