[科普中国]-陶瓷基板

陶瓷基板是指铜箔在高温下直接键合到氧化铝(Al2O3)或氮化铝(AlN)陶瓷基片表面( 单面或双面)上的特殊工艺板。所制成的超薄复合基板具有优良电绝缘性能，高导热特性，优异的软钎焊性和高的附着强度，并可像PCB板一样能刻蚀出各种图形，具有很大的载流能力。因此，陶瓷基板已成为大功率电力电子电路结构技术和互连技术的基础材料。

特点◆机械应力强，形状稳定；高强度、高导热率、高绝缘性；结合力强，防腐蚀。

◆ 较好的热循环性能，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结构；无污染、无公害。

◆使用温度宽-55℃～850℃；热膨胀系数接近硅，简化功率模块的生产工艺。

种类一、按材料来分

1、 Al2O3

氧化铝基板是电子工业中最常用的基板材料，因为在机械、热、电性能上相对于大多数其他氧化物陶瓷，强度及化学稳定性高，且原料来源丰富，适用于各种各样的技术制造以及不同的形状。斯利通氧化铝基板已经可以进行三维定制。

2、BeO

具有比金属铝还高的热导率，应用于需要高热导的场合，但温度超过300℃后迅速降低，最重要的是由于其毒性限制了自身的发展。

3 、AlN

AlN有两个非常重要的性能值得注意：一个是高的热导率，一个是与Si相匹配的膨胀系数。缺点是即使在表面有非常薄的氧化层也会对热导率产生影响，只有对材料和工艺进行严格控制才能制造出一致性较好的AlN基板。AlN生产技术国内像斯利通这样能大规模生产的少之又少，相对于Al2O3，AlN价格相对偏高许多，这个也是制约其发展的小瓶颈。不过随着经济的提升，技术的升级，这种瓶颈终会消失。

综合以上原因，可以知道，氧化铝陶瓷由于比较优越的综合性能，在微电子、功率电子、混合微电子、功率模块等领域还是处于主导地位而被大量运用。1

二、 按制造工艺来分

现阶段较普遍的陶瓷散热基板种类共有HTCC、LTCC、DBC、DPC、LAM五种，其中LAM属于斯利通与华中科技大学国家光电实验室合作的专利技术，HTCC\LTCC都属于烧结工艺，成本都会较高。

而DBC与DPC则为国内近年来才开发成熟，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解决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受到较大的挑战，而DPC技术则是利用直接镀铜技术，将Cu沉积于Al2O3基板之上，其工艺结合材料与薄膜工艺技术，其产品为近年最普遍使用的陶瓷散热基板。然而其材料控制与工艺技术整合能力要求较高，这使得跨入DPC产业并能稳定生产的技术门槛相对较高。LAM技术又称作激光快速活化金属化技术。

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

HTCC又称为高温共烧多层陶瓷，生产制造过程与LTCC极为相似，主要的差异点在于HTCC的陶瓷粉末并无加入玻璃材质，因此，HTCC的必须再高温1300~1600℃环境下干燥硬化成生胚，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，使得金属导体材料的选择受限，其主要的材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。

2、 LTCC (Low-Temperature Co-fired Ceramic)

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%的玻璃材料加上有机黏结剂，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，再经由一道干燥过程将片状浆料形成一片片薄薄的生胚，然后依各层的设计钻导通孔，作为各层讯号的传递，LTCC内部线路则运用网版印刷技术，分别于生胚上做填孔及印制线路，内外电极则可分别使用银、铜、金等金属，最后将各层做叠层动作，放置于850~900℃的烧结炉中烧结成型，即可完成。

3、 DBC (Direct Bonded Copper)

直接敷铜技术是利用铜的含氧共晶液直接将铜敷接在陶瓷上，其基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1065℃~1083℃范围内，铜与氧形成Cu-O共晶液， DBC技术利用该共晶液一方面与陶瓷基板发生化学反应生成 CuAlO2或CuAl2O4相，另一方面浸润铜箔实现陶瓷基板与铜板的结合。

优越性◆陶瓷基板的热膨胀系数接近硅芯片，可节省过渡层Mo片，省工、节材、降低成本；

◆减少焊层，降低热阻，减少空洞，提高成品率；

◆在相同载流量下 0.3mm厚的铜箔线宽仅为普通印刷电路板的10%；

◆ 优良的导热性，使芯片的封装非常紧凑，从而使功率密度大大提高，改善系统和装置的可靠性；

◆ 超薄型(0.25mm)陶瓷基板可替代BeO，无环保毒性问题；

◆载流量大，100A电流连续通过1mm宽0.3mm厚铜体，温升约17℃；100A电流连续通过2mm宽0.3mm厚铜体，温升仅5℃左右；

◆热阻低，10×10mm陶瓷基板的热阻0.63mm厚度陶瓷基片的热阻为0.31K/W ，0.38mm厚度陶瓷基片的热阻为0.19K/W，0.25mm厚度陶瓷基片的热阻为0.14K/W。

◆ 绝缘耐压高，保障人身安全和设备的防护能力。

◆ 可以实现新的封装和组装方法，使产品高度集成，体积缩小。2

性能要求（1）机械性质

有足够高的机械强度，除搭载元件外，也能作为支持构件使用；加工性好，尺寸精度高；容易实现多层化；

表面光滑，无翘曲、弯曲、微裂纹等。

（2）电学性质

绝缘电阻及绝缘破坏电压高；

介电常数低；

介电损耗小；

在温度高、湿度大的条件下性能稳定，确保可靠性。

（3）热学性质

热导率高；

热膨胀系数与相关材料匹配（特别是与Si的热膨胀系数要匹配）；

耐热性优良。

（4）其它性质

化学稳定性好；容易金属化，电路图形与其附着力强；

无吸湿性；耐油、耐化学药品；a射线放出量小；

所采用的物质无公害、无毒性；在使用温度范围 内晶体结构不变化；

原材料丰富；技术成熟；制造容易；价格低。3

用途◆ 大功率电力半导体模块；半导体致冷器、电子加热器；功率控制电路，功率混合电路。

◆智能功率组件；高频开关电源，固态继电器。

◆汽车电子，航天航空及军用电子组件。

◆太阳能电池板组件；电讯专用交换机，接收系统；激光等工业电子。

趋势陶瓷基板产品问世，开启散热应用行业的发展，由于陶瓷基板散热特色，加上陶瓷基板具有高散热、低热阻、寿命长、耐电压等优点，随着生产技术、设备的改良，产品价格加速合理化，进而扩大LED产业的应用领域，如家电产品的指示灯、汽车车灯、路灯及户外大型看板等。陶瓷基板的开发成功，更将成为室内照明和户外亮化产品提供服务，使LED产业未来的市场领域更宽广。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学