陶瓷基板的发展概况

1、.：.；陶瓷基板在LED电子领域运用现状与开展简要分析摘要：陶瓷基板资料以其优良的导热性和气密性，广泛运用于功率电子、电子封装、混合微电子与多芯片模块等领域。本文简要引见了目前陶瓷基板的现状与以后的开展。 关键词： HYPERLINK gg-led/newsList-656370ed57fa677f.html t _blank 散热基板 HYPERLINK gg-led/newsList-r6cr65r64.html t _blank led HYPERLINK gg-led/newsList-5c0188c5.html t _blank 封装 HYPERLINK gg-led/newsLis

2、t-51716676.html t _blank 共晶 HYPERLINK gg-led/newsList-82af7247.html t _blank 芯片 HYPERLINK gg-led/newsList-8584819c.html t _blank 薄膜 HYPERLINK gg-led/newsList-89866676.html t _blank 覆晶 HYPERLINK gg-led/newsList-73af6c2768118102.html t _blank 环氧树脂前文摘要：陶瓷基板资料以其优良的导热性和气密性，广泛运用于功率电子、电子 HYPERLINK gg-led/n

3、ewsList-5c0188c5.html t _blank 封装、混合微电子与多 HYPERLINK gg-led/newsList-82af7247.html t _blank 芯片模块等领域。本文简要引见了目前陶瓷基板的现状与以后的开展。1 塑料和陶瓷资料的比较塑料尤其是环氧树脂由於比较好的经济性，至目前为止依然占据整个电子市场的统治位置，但是许多特殊领域比如高温、线膨胀系数不匹配、气密性、稳定性、机械性能等方面显然不适宜，即使在环氧树脂中添加大量的有机溴化物也无济于事。相对于塑料资料，陶瓷资料也在电子工业扮演者重要的角色，其电阻高，高频特性突出，且具有热导率高、化学稳定性佳、热稳定性和

4、熔点高等優點。在电子线路的设计和制造非常需求这些的性能，因此陶瓷被广泛用于不同厚膜、薄膜和电路的基板资料，还可以用作绝缘体，在热性能要求苛刻的电路中做导热通路以及用来制造各种电子元件。2 各种陶瓷资料的比较2.1 Al2O3到目前为止，氧化铝基板是电子工业中最常用的基板资料，由于在机械、热、电性能上相對於大多数其他氧化物陶瓷，強度及化學穩定性高，且原料来源丰富，适用于各种各样的技术制造以及不同的外形。2.2 BeO具有比金属铝还高的热导率，运用于需求高热导的场所，但温度超越300后迅速降低，最重要的是由于其毒性限制了本身的开展。2.3 AlNAlN有两个非常重要的性能值得留意：一个是高的热导率

5、，一个是与Si相匹配的膨胀系数。缺點是即使在外表有非常薄的氧化层也会对热导率产生影响，只需对资料和工艺进展严厉控制才干制造出一致性较好的AlN基板。目前大规模的AlN消费技术国内还是不成熟，相对于Al2O3，AlN价钱相对偏高许多，这个也是制约其开展的瓶颈。综合以上缘由，可以知道，氧化铝陶瓷由于比较优越的综合性能，在目前微电子、功率电子、混合微电子、功率模块等领域还是处于主导位置而被大量运用。3 陶瓷基板的制造制造高純度的陶瓷基板是很困难的，大部分陶瓷熔点和硬度都很高，这一点限制了陶瓷机械加工的能够性，因此陶瓷基板中经常掺杂熔点较低的玻璃用于助熔或者粘接，使最终产品易于机械加工。Al2O3、B

6、eO、AlN基板制备过程很类似，将基体资料研磨成粉直径在几微米左右，与不同的玻璃助熔剂和粘接剂(包括粉体的MgO、CaO)混合，此外还向混合物中参与一些有机粘接剂和不同的增塑剂再球磨防止聚会使成分均匀，成型生瓷片，最后高温烧结。目前陶瓷成型主要有如下几种方法：辊轴轧制 将浆料喷涂到一个平坦的外表，部分枯燥以构成黏度像油灰状的薄片，再将薄片送入一对大的平行辊轴中轧碾得到厚度均匀的生瓷片。流延 浆料经过锋利的刀刃涂覆在一个挪动的带上构成薄片。与其他工艺相比这是一种低压的工艺。粉末压制 粉末在硬模具腔内并施加很大的压力(约MPa)下烧结，虽然压力不均匀能够产生过度翘曲但这一工艺消费的烧结件非常致密，

7、容差较小。等静压粉末压制 这种工艺运用运用周围为水或者为甘油的模及运用高达69MPa的压力这种压力更为均匀所制成的部件翘曲更小。挤压 浆料经过模具挤出这种工艺运用的浆料黏度较低，难以获得较小容差，但是这种工艺非常经济，并且可以得到比其他方法更薄的部件。4 基板种类及其特性比较 现阶段较普遍的陶瓷 HYPERLINK gg-led/newsList-656370ed57fa677f.html t _blank 散热基板种类共有HTCC、LTCC、DBC、DPC四种，其中HTCC属于较早期开展的技术，但由于烧结温度较高使其电极资料的选择受限，且制造本钱相对昂贵，这些要素促使LTCC的开展，LTCC

8、虽然将共烧温度降至约850，但缺陷是尺寸准确度、产品强度等不易控制。而DBC与DPC那么为国内近几年才开发成熟，且能量产化的专业技术，DBC是利用高温加热将Al2O3与Cu板结合，其技术瓶颈在于不易处理Al2O3与Cu板间微气孔产生之问题，这使得该产品的量产能量与良率遭到较大的挑战，而DPC技术那么是利用直接镀铜技术，将Cu堆积于Al2O3基板之上，其工艺结合资料与薄膜工艺技术，其产品为近年最普遍运用的陶瓷 HYPERLINK gg-led/newsList-656370ed57fa677f.html t _blank 散热基板。然而其资料控制与工艺技术整合才干要求较高，这使得跨入DPC产业并

9、能稳定消费的技术门槛相对较高。4.1 LTCC (Low-Temperature Co-fired Ceram HYPERLINK ee.ofweek/CAT-2801-ICDesign.html o ic t _blank ic)LTCC 又称为低温共烧多层陶瓷基板，此技术须先将无机的氧化铝粉与约30%50%的玻璃资料加上有机黏结剂，使其混合均匀成为泥状的浆料，接着利用刮刀把浆料刮成片状，再经由一道枯燥过程将片状浆料构成一片片薄薄的生胚，然后依各层的设计钻导通孔，作为各层讯号的传送，LTCC内部线路那么运用网版印刷技术，分别于生胚上做填孔及印制线路，内外电极那么可分别运用银、铜、金等金属，最

10、后将各层做叠层动作，放置于850900的烧结炉中烧结成型，即可完成。详细制造过程LTCC消费流程图4.14.2 HTCC (High-Temperature Co-fired Ceramic)HTCC又称为高温共烧多层陶瓷，消费制造过程与LTCC极为类似，主要的差别点在于HTCC的陶瓷粉末并无参与玻璃材质，因此，HTCC的必需再高温13001600环境下枯燥硬化成生胚，接着同样钻上导通孔，以网版印刷技术填孔与印制线路，因其共烧温度较高，使得金属导体资料的选择受限，其主要的资料为熔点较高但导电性却较差的钨、钼、锰等金属，最后再叠层烧结成型。4.3 DBC (Direct Bonded Coppe

11、r)直接敷铜技术是利用铜的含氧 HYPERLINK gg-led/newsList-51716676.html t _blank 共晶液直接将铜敷接在陶瓷上，其根本原理就是敷接过程前或过程中在铜与陶瓷之间引入适量的氧元素，在10651083范围内，铜与氧构成Cu-O HYPERLINK gg-led/newsList-51716676.html t _blank 共晶液，DBC技术利用该 HYPERLINK gg-led/newsList-51716676.html t _blank 共晶液一方面与陶瓷基板发生化学反响生成CuAlO2或CuAl2O4相，另一方面浸润铜箔实现陶瓷基板与铜板的结合

12、。陶瓷基板直接敷铜板的制造流程图如以下图4.2。(a) Al2O3陶瓷基板敷铜板工艺 (b) AlN陶瓷基板敷铜板工艺图4.2 直接敷铜陶瓷基板工艺表示图直接敷铜陶瓷基板由于同时具备铜的优良导电、导热性能和陶瓷的机械强度高、低介电损耗的优点，所以得到广泛的运用。在过去的几十年里，敷铜基板在功率电子 HYPERLINK gg-led/newsList-5c0188c5.html t _blank 封装方面做出了很大的奉献，这主要归因于直接敷铜基板具有如下性能特点： 热性能好； 电容性能； 高的绝缘性能； Si相匹配的热膨胀系数； 电性能优越，载流才干强。直接敷铜陶瓷基板最初的研讨就是为理处理大电

13、流和散热而开发出来的，后来又运用到AlN陶瓷的金属化。除上述特点外还具有如下特点使其在大功率器件中得到广泛运用：机械应力强，外形稳定；高强度、高导热率、高绝缘性；结合力强，防腐蚀； 极好的热循环性能，循环次数达5万次，可靠性高； 与PCB板(或IMS基片)一样可刻蚀出各种图形的构造；无污染、无公害； 运用温度宽-55850；热膨胀系数接近硅，简化功率模块的消费工艺。由于直接敷铜陶瓷基板的特性，就使其具有PCB基板不可替代特点。DBC的热膨胀系数接近硅 HYPERLINK gg-led/newsList-82af7247.html t _blank 芯片，可节省过渡层Mo片，省工、节材、降低本钱

14、，由于直接敷铜陶瓷基板没有添加任何钎焊成分，这样就减少焊层，降低热阻，减少孔洞，提高废品率，并且在一样载流量下0.3mm厚的铜箔线宽仅为普通印刷电路板的10%；其优良的导热性，使 HYPERLINK gg-led/newsList-82af7247.html t _blank 芯片的 HYPERLINK gg-led/newsList-5c0188c5.html t _blank 封装非常紧凑，从而使功率密度大大提高，改善系统和安装的可靠性。 为了提高基板的导热性能，普通是减少基板的厚度，超薄型(0.25mm)DBC板可替代BeO，直接敷接铜的厚度可以到达0.65mm，这样直接敷铜陶瓷基板就能

15、承载较大的电流且温度升高不明显，100A电流延续经过1mm宽0.3mm厚铜体，温升约17；100A电流延续经过2mm宽0.3mm厚铜体，温升仅5左右。与钎焊和Mo-Mn法相比，DBC具有很低的热阻特性，以1010mmDBC板的热阻为例：0.63mm厚度陶瓷基片DBC的热阻为0.31K/W，0.38mm厚度陶瓷基片DBC的热阻为0.19K/W，0.25mm厚度陶瓷基片DBC的热阻为0.14K/W。 氧化铝陶瓷的电阻最高，其绝缘耐压也高，这样就保证人身平安和设备防护才干；除此之外DBC基板可以实现新的 HYPERLINK gg-led/newsList-5c0188c5.html t _blank

16、 封装和组装方法，使产品高度集成，体积减少。4.3.1直接敷铜陶瓷基板开展趋势在大功率、高密度 HYPERLINK gg-led/newsList-5c0188c5.html t _blank 封装中，电子元件及 HYPERLINK gg-led/newsList-82af7247.html t _blank 芯片等在运转过程中产生的热量主要经过陶瓷基板分发到环境中，所以陶瓷基板在散热过程中担当了重要的角色。Al2O3陶瓷导热率相对较低，在大功率、高密度 HYPERLINK gg-led/newsList-5c0188c5.html t _blank 封装器件运转时须强迫散热才可满足要求。Be

17、O陶瓷导热性能最好，但因环保问题，根本上被淘汰。SiC陶瓷金属化后键合不稳定，作为绝缘基板用时，会引起热导率和介电常数的改动。AlN陶瓷具有高的导热性能，适用于大功率半导体基片，在散热过程中自然冷却即可到达目的，同时还具有很好的机械强度、优良的电气性能。虽然目前国内制造技术还需改良，价钱也比较昂贵，但其年产增率比Al2O3陶瓷高4倍以上，以后可以取代BeO和一些非氧化物陶瓷。所以采用AlN陶瓷做绝缘导热基板已是大势所趋，只不过是存在时间与性价比的问题。4.3.2直接敷铝(DAB)陶瓷基板与直接敷铜陶瓷基板(DBC)性能比较直接敷铝基板作为一种绝缘载体运用于电子电路而获得长足进展，该技术自创了直

18、接敷铜陶瓷基板技术。这类新型的直接敷Al基板在实际和实验上表现出好的特性。虽然它的特性在很多方面类似于直接敷Cu基板。对于直接敷Cu基板，由于金属铜的膨胀系数室温时为17.0 10-6/C，96氧化铝陶瓷基板的热膨胀系数室温时为6.010-6/C，铜和氧化铝敷接的温度较高(1000)，界面会构成比较硬的产物CuAlO2，所以敷接铜的氧化铝基板的内应力较大，抗热震动性能相对较差，在运用中经常因疲劳而损坏。铝和铜相比，具有较低的熔点，低廉的价钱和良好的塑性，纯铝的熔点只需660，纯铝的膨胀系数在室温时为23.010-6/，金属铝和氧化铝陶瓷基板的敷接是物理潮湿，在界面上没有化学反响，而且纯铝所具有

19、的优良的塑性可以有效缓解界面因热膨胀系数不同引起的热应力，研讨也证明Al/Al2O3陶瓷基板具有非常优良的抗热震性能。这是直接敷Cu基板无法比较的，同时金属铝和氧化铝陶瓷之间的抗剥离强度也较大。直接敷铝基板作为基板特别适宜于功率电子电路直接敷铝基板性能不同于直接敷铜基板的性能，前者在高温循环下有更好的稳定性能。直接敷铝基板的 HYPERLINK gg-led/newsList-82af7247.html t _blank 芯片也表现出更好的稳定性，胜过直接敷铜基板。直接敷铝基板以它的高的抗热震性、低的分量，有望在未来开发出更好的性能，以满足更高的需求。4.3.3敷铝陶瓷基板的开展趋势敷铝陶瓷基

20、板(DAB)以其独特的性能运用于绝缘载体，特别是功率电子电路。这种新型资料在很多方面都有和直接敷铜基板(DBC)类似的地方，而本身又具有显著的抗热震性能和热稳定性能，对提高在极端温度下任务器件的稳定性十清楚显。由Al-Al2O3基板、Al-AlN基板做成的电力器件模块已胜利运用在日本汽车工业上。DAB基板在对高可靠性有特殊要求的器件上具有宏大的潜力，这就使其非常适宜优化功率电子系统、自动化、航空航天等。4.4 DPC (Direct Plate Copper) DPC亦称为直接镀铜基板，DPC基板工艺为例：首先将陶瓷基板做前处置清洁，利用薄膜专业制造技术真空 HYPERLINK ofweek/

21、SEARCH/WENZHANG/镀膜.HTM o 镀膜 t _blank 镀膜方式于陶瓷基板上溅镀结合于铜金属复合层，接着以黄光微影之光阻被覆曝光、显影、蚀刻、去膜工艺完成线路制造，最后再以电镀/化学镀堆积方式添加线路的厚度，待光阻移除后即完成金属化线路制造，详细DPC消费流程图如以下图3.9。5 陶瓷基板特性 5.1 热传导率热导率代表了基板资料本身直接传导热能的一种才干，数值愈高代表其散热才干愈好。在 HYPERLINK gg-led/newsList-r6cr65r64.html t _blank LED领域 HYPERLINK gg-led/newsList-656370ed57fa6

22、77f.html t _blank 散热基板最主要的作用就是在于，如何有效的将热能从 HYPERLINK gg-led/newsList-r6cr65r64.html t _blank LED HYPERLINK gg-led/newsList-82af7247.html t _blank 芯片传导到系统散热，以降低 HYPERLINK gg-led/newsList-r6cr65r64.html t _blank LED HYPERLINK gg-led/newsList-82af7247.html t _blank 芯片的温度，添加发光效率与延伸 HYPERLINK gg-led/news

23、List-r6cr65r64.html t _blank LED寿命，因此， HYPERLINK gg-led/newsList-656370ed57fa677f.html t _blank 散热基板热传导效果的优劣就成为业界在选用 HYPERLINK gg-led/newsList-656370ed57fa677f.html t _blank 散热基板时，重要的评价工程之一。检视表一，由四种陶瓷散热基板的比较可明看出，虽然Al2O3资料之热传导率约在2024之间，LTCC为降低其烧结温度而添加了30%50%的玻璃资料，使其热传导率降至23W/mK左右；而HTCC因其普遍共烧温度略低于纯Al2

24、O3基板之烧结温度，而使其因资料密度较低使得热传导系数低Al2O3基板约在1617W/mK之间。普通来说，LTCC与HTCC散热效果并不如DBC与DPC散热基板里想。5.2 操作环境温度操作环境温度，主要是指产品在消费过程中，运用到最高工艺温度，而以一消费工艺而言，所运用的温度愈高，相对的制造本钱也愈高，且良率不易掌控。HTCC工艺本身即由于陶瓷粉末资料成份的不同，其工艺温度约在13001600之间，而LTCC/DBC的工艺温度亦约在8501000之间。此外，HTCC与LTCC在工艺后对必需叠层后再烧结成型，使得各层会有收缩比例问题，为处理此问题相关业者也在努力寻求处理方案中。另一方面，DBC

25、对工艺温度精准度要求非常严苛，必需于温度极度稳定的10651085温度范围下，才干使铜层熔炼为 HYPERLINK gg-led/newsList-51716676.html t _blank 共晶熔体，与陶瓷基板严密结合，假设消费工艺的温度不够稳定，势必会呵斥良率偏低的景象。而在工艺温度与裕度的考量，DPC的工艺温度仅需250350左右的温度即可完成 HYPERLINK gg-led/newsList-656370ed57fa677f.html t _blank 散热基板的制造，完全防止了高温对于资料所呵斥的破坏或尺寸变异的景象，也排除了制造本钱费用高的问题。5.3 工艺才干工艺才干，主要是

26、表示各种 HYPERLINK gg-led/newsList-656370ed57fa677f.html t _blank 散热基板的金属线路是以何种工艺技术完成，由于线路制造/成型的方法直接影响了线路精准度、外表粗糙镀、对位精准度等特性，因此在高功率小尺寸的精细线路需求下，工艺解析度便成了必需求思索的重要工程之一。LTCC与HTCC均是采用厚膜印刷技术完成线路制造，厚膜印刷本身即受限于网版张力问题，普通而言，其线路外表较为粗糙，且容易呵斥有对位不精准与累进公差过大等景象。此外，多层陶瓷叠压烧结工艺，还有收缩比例的问题需求考量，这使得其工艺解析度较为受限。而DBC虽以微影工艺备制金属线路，但因

27、其工艺才干限制，金属铜厚的下限约在150300um之间，这使得其金属线路的解析度上限亦仅为150300um之间(以深宽比1:1为规范)。而DPC那么是采用的薄膜工艺制造，利用了真空镀膜、黄光微影工艺制造线路，使基板上的线路可以更加准确，外表平整度高，再利用电镀/电化学镀堆积方式添加线路的厚度，DPC金属线路厚度可依产品实践需求(金属厚度与线路解析度)而设计。普通而言，DPC金属线路的解析度在金属线路深宽比为1:1的原那么下约在1050um之间。因此，DPC杜绝了LTCC/HTCC的烧结收缩比例及厚膜工艺的网版张网问题。5.4、陶瓷 HYPERLINK gg-led/newsList-65637

28、0ed57fa677f.html t _blank 散热基板之运用陶瓷 HYPERLINK gg-led/newsList-656370ed57fa677f.html t _blank 散热基板会因应需求及运用上的不同，外型亦有所差别。另一方面，各种陶瓷基板也可依产品制造方法的不同，作出根本的区分。LTCC HYPERLINK gg-led/newsList-656370ed57fa677f.html t _blank 散热基板在 HYPERLINK gg-led/newsList-r6cr65r64.html t _blank LED产品的运用上，大多以大尺寸高功率以及小尺寸低功率产品为主，

29、根本上外观大多呈现凹杯状，且依客户端的需求可制造出有导线架& 没有导线架两种 HYPERLINK gg-led/newsList-656370ed57fa677f.html t _blank 散热基板，凹杯外形主要是针对 HYPERLINK gg-led/newsList-5c0188c5.html t _blank 封装工艺采用较简易的点胶方式 HYPERLINK gg-led/newsList-5c0188c5.html t _blank 封装成型所设计，并利用凹杯边缘作为光线反射的途径，但LTCC本身即受限于工艺要素，使得产品难以备制成小尺寸，再者，采用了厚膜制造线路，使得线路精准度缺乏

30、以符合高功率小尺寸的 HYPERLINK gg-led/newsList-r6cr65r64.html t _blank LED产品。而与LTCC工艺与外观类似的HTCC，在 HYPERLINK gg-led/newsList-r6cr65r64.html t _blank LED HYPERLINK gg-led/newsList-656370ed57fa677f.html t _blank 散热基板这一块，尚未被普遍的运用，主要是由于HTCC采用13001600高温枯燥硬化，使消费本钱的添加，相对的HTCC基板费用也高，因此对竭力朝低本钱趋向迈进 HYPERLINK gg-led/news

31、List-r6cr65r64.html t _blank LED产业而言，面临了较严苛的考验HTCC。另一方面，DBC与DPC那么与LTCC/HTCC不仅有外观上的差别，连 HYPERLINK gg-led/newsList-r6cr65r64.html t _blank LED产品 HYPERLINK gg-led/newsList-5c0188c5.html t _blank 封装方式亦有所不同，DBC/DPC均是属于平面式的 HYPERLINK gg-led/newsList-656370ed57fa677f.html t _blank 散热基板，而平面式 HYPERLINK gg-le

32、d/newsList-656370ed57fa677f.html t _blank 散热基板可依客制化备制金属线路加工，再根据客户需求切割成小尺寸产品，辅以 HYPERLINK gg-led/newsList-51716676.html t _blank 共晶/覆晶工艺，结合已非常熟练的萤光粉涂布技术及高阶 HYPERLINK gg-led/newsList-5c0188c5.html t _blank 封装工艺技术铸膜成型，可大幅的提升 HYPERLINK gg-led/newsList-r6cr65r64.html t _blank LED的发光效率。然而，DBC产品因受工艺才干限制，使得

33、线路解析度上限仅为150300um，假设要特别制造细线路产品，必需采用研磨方式加工，以降低铜层厚度，但却呵斥外表平整度不易控制与添加额外本钱等问题，使得DBC产品不易于 HYPERLINK gg-led/newsList-51716676.html t _blank 共晶/覆晶工艺高线路精准度与高平整度的要求之运用。DPC利用薄膜微影工艺备制金属线路加工，具备了线路高精准度与高外表平整度的的特性，非常适用于覆晶/ HYPERLINK gg-led/newsList-51716676.html t _blank 共晶接合方式的工艺，可以大幅减少 HYPERLINK gg-led/newsList-r6cr65r64.html t _blank LED产品的导线截面积，进而提升散热的效率。6 结论经由上述各种陶瓷基板之消费流程、特性比较、以及运用范围阐明后，可明确的比较出个别的差别性。其中，