中國(guó)粉體網(wǎng)訊 常用的基板材料主要包括塑料基板、金屬基板、陶瓷基板和復(fù)合基板四大類(lèi)。陶瓷基板良好的導(dǎo)熱性、耐熱性、絕緣性、低熱膨脹系數(shù)和成本的不斷降低，在電子封裝特別是功率電子器件如IGBT (絕緣柵雙極晶體管)、LD (激光二極管)、大功率LED (發(fā)光二極管)、CPV (聚焦型光伏)封裝中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。
電鍍陶瓷基板制備工藝包括采用半導(dǎo)體微加工技術(shù)、激光打孔與電鍍填孔技術(shù)、電鍍生長(zhǎng)控制線并研磨、低溫制備工藝等的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)及適用需求。金屬線路層與陶瓷基片的結(jié)合強(qiáng)度和電鍍填孔是陶瓷基板可靠性的關(guān)鍵以及陶瓷基板制備的關(guān)鍵技術(shù)。
電鍍陶瓷基板的制備及特點(diǎn)
從結(jié)構(gòu)與制作工藝而言，陶瓷基板又可分為HTCC、LTCC、TFC、DBC、DPC等。電鍍陶瓷基板(DPC)是在陶瓷基片上采用薄膜工藝制作完成的，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、熱導(dǎo)率高、線路精細(xì)、熱膨脹系數(shù)(CTE)與芯片材料相匹配，因此成為大功率LED封裝散熱基板的重要發(fā)展方向。
DPC陶瓷基板制備工藝如圖1所示。首先利用激光在陶瓷基片上制備通孔（孔徑一般為60-120μm），隨后利用超聲波清洗陶瓷基片；采用磁控濺射技術(shù)在陶瓷基片表面沉積金屬種子層（Ti/Cu），接著通過(guò)光刻、顯影完成線路層制作；采用電鍍填孔和增厚金屬線路層，并通過(guò)表面處理提高基板可焊性與抗氧化性，最后去干膜、刻蝕種子層完成基板制備。
圖1 DPC陶瓷基板制備工藝流程
從上圖可以看出，DPC陶瓷基板制備前端采用了半導(dǎo)體微加工技術(shù)（濺射鍍膜、光刻、顯影等），后端采用了印刷線路板（PCB）制備技術(shù)（圖形電鍍、填孔、表面研磨、刻蝕、表面處理等），技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。
具體特點(diǎn)包括：1）采用半導(dǎo)體微加工技術(shù)，陶瓷基板上金屬線路更加精細(xì)，因此DPC基板非常適合對(duì)準(zhǔn)精度要求較高的微電子器件封裝；2）采用激光打孔與電鍍填孔技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了陶瓷基板上/下表面垂直互聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)電子器件三維封裝與集成，降低器件體積，如圖2所示；3）采用電鍍生長(zhǎng)控制線路層厚度（一般為10-100μm），并通過(guò)研磨降低線路層表面粗糙度，滿足高溫、大電流器件封裝需求；4）低溫制備工藝（300°C以下），避免了高溫對(duì)基片材料和金屬線路層的不利影響，同時(shí)也降低了生產(chǎn)成本。
綜上所述，DPC基板具有圖形精度高，可垂直互連等特性，是一種真正的陶瓷電路板。但DPC基板也存在一些不足：1）金屬線路層采用電鍍工藝制備，環(huán)境污染嚴(yán)重；2）電鍍生長(zhǎng)速度低，線路層厚度有限（一般控制在10-100μm），難以滿足大電流功率器件封裝需求。目前DPC陶瓷基板主要應(yīng)用于大功率LED封裝，生產(chǎn)廠家主要集中在我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)，但從2015年開(kāi)始大陸地區(qū)已開(kāi)始實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
圖2 (a) DPC陶瓷基板產(chǎn)品及其 (b) 截面圖
電鍍陶瓷基板制備的關(guān)鍵
金屬線路層與陶瓷基片的結(jié)合強(qiáng)度是影響DPC陶瓷基板可靠性的關(guān)鍵。由于金屬與陶瓷間熱膨脹系數(shù)差較大，為降低界面應(yīng)力，需要在銅層與陶瓷間增加過(guò)渡層，從而提高界面結(jié)合強(qiáng)度。由于過(guò)渡層與陶瓷間的結(jié)合力主要以擴(kuò)散附著及化學(xué)鍵為主，因此常選擇Ti、Cr和Ni等活性較高、擴(kuò)散性好的金屬作為過(guò)渡層（同時(shí)作為電鍍種子層）。對(duì)陶瓷基片進(jìn)行等離子清洗可大大提高與金屬薄膜間的結(jié)合強(qiáng)度，主要是因?yàn)?）離子束去除了陶瓷基片表面的污染物；2）陶瓷基片因受到離子束的轟擊而產(chǎn)生懸掛鍵，與金屬原子結(jié)合更緊密。
電鍍填孔也是DPC陶瓷基板制備的關(guān)鍵技術(shù)。目前DPC基板電鍍填孔大多采用脈沖電源，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)包括：1）易于填充通孔，降低孔內(nèi)鍍層缺陷；2）表面鍍層結(jié)構(gòu)致密，厚度均勻；3）可采用較高電流密度進(jìn)行電鍍，提高沉積效率。由于脈沖電鍍成本高，因此近年來(lái)新型直流電鍍又重新得到重視，通過(guò)優(yōu)化電鍍液配方（包括整平劑、抑制劑等），實(shí)現(xiàn)盲孔或通孔高效填充。
陶瓷基板應(yīng)用及分析
01 IGBT 封裝
絕緣柵雙極晶體管以輸入阻抗高、開(kāi)關(guān)速度快、通態(tài)電壓低、阻斷電壓高等特點(diǎn)，成為當(dāng)今功率半導(dǎo)體器件發(fā)展主流。其應(yīng)用小到變頻空調(diào)、靜音冰箱、洗衣機(jī)、電磁爐、微波爐等家用電器，大到電力機(jī)車(chē)牽引系統(tǒng)等。由于IGBT輸出功率高，發(fā)熱量大，因此對(duì)IGBT封裝而言，散熱是關(guān)鍵。目前IGBT封裝主要采用DBC陶瓷基板，原因在于DBC具有金屬層厚度大，結(jié)合強(qiáng)度高(熱沖擊性好)等特點(diǎn)。
02 LD 封裝
激光二極管(LD)又稱(chēng)半導(dǎo)體激光器，是一種基于半導(dǎo)體材料受激輻射原理的光電器件，具有體積小、壽命長(zhǎng)、易于泵浦和集成等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于激光通信、光存儲(chǔ)、光陀螺、激光打印、測(cè)距以及雷達(dá)等領(lǐng)域。溫度與半導(dǎo)體激光器的輸出功率有較大關(guān)系。散熱是LD封裝關(guān)鍵。由于LD器件電流密度大，熱流密度高，陶瓷基板成為L(zhǎng)D封裝的首選熱沉材料。
03 LED封裝
縱觀LED技術(shù)發(fā)展，功率密度不斷提高，對(duì)散熱的要求也越來(lái)越高。由于陶瓷具有的高絕緣、高導(dǎo)熱和耐熱、低膨脹等特性，特別是采用通孔互聯(lián)技術(shù)，可有效滿足LED倒裝、共晶、COB(板上芯片)、CSP(芯片規(guī)模封裝)、WLP (圓片封裝)封裝需求，適合中高功率LED封裝。
04 光伏(PV)模組封裝
光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理，利用太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)光直接轉(zhuǎn)化為電能。由于聚焦作用導(dǎo)致太陽(yáng)光密度增加，芯片溫度升高，必須采用陶瓷基板強(qiáng)化散熱。實(shí)際應(yīng)用中，陶瓷基板表面的金屬層通過(guò)熱界面材料(TIM)分別與芯片和熱沉連接，熱量通過(guò)陶瓷基板快速傳導(dǎo)到金屬熱沉上，有效提高了系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換效率與可靠性。
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專(zhuān)家介紹
陳明祥：華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院教授/博士生導(dǎo)師，武漢光電國(guó)家研究中心研究員，廣東省珠江學(xué)者講座教授。本科和碩士畢業(yè)于武漢理工大學(xué)材料學(xué)院，博士畢業(yè)于華中科技大學(xué)光電學(xué)院，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院封裝研究中心博士后。主要從事先進(jìn)電子封裝與微納制造技術(shù)研究，包括功率器件封裝（如LED、LD、IGBT、CPV等）、低溫鍵合、系統(tǒng)集成技術(shù)等；主持科研項(xiàng)目包括國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、科技部“863計(jì)劃”與支撐計(jì)劃項(xiàng)目、總裝預(yù)研基金重點(diǎn)項(xiàng)目、廣東省產(chǎn)學(xué)研合作重點(diǎn)項(xiàng)目、湖北省科技創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目、武漢市科技成果轉(zhuǎn)化重大項(xiàng)目等；已發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇（其中SCI檢索40余篇），獲授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利20余項(xiàng)（其中DPC陶瓷基板技術(shù)已通過(guò)專(zhuān)利轉(zhuǎn)讓實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化）。曾獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)（2016）、教育部技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)（2015）、武漢東湖高新區(qū)“3551光谷人才”（2012）、廣東省科學(xué)技術(shù)三等獎(jiǎng)（2010）等。
參考文獻(xiàn)：
秦典成.陶瓷基板表面金屬化研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
陳明祥.功率電子封裝用陶瓷基板技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)展
陳明祥.電子封裝陶瓷基板
