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電子器件的散熱有多重要？

對(duì)于電子器件而言，通常溫度每升高10°C，器件有效壽命就降低30%~50%。因此，選用合適的封裝材料與工藝、提高器件散熱能力就成為發(fā)展功率器件的技術(shù)瓶頸。

（圖片來源：深圳市金瑞欣特種電路技術(shù)有限公司）

陶瓷基板材料選擇

良好的器件散熱依賴于優(yōu)化的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、封裝材料選擇（熱界面材料與散熱基板）及封裝制造工藝等。其中，基板材料的選用是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響到器件成本、性能與可靠性。

目前，陶瓷基板雖然不是處于主導(dǎo)地位，但由于其良好的導(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)用越來越廣泛。陶瓷基板材料主要有Al₂O₃、BeO、AlN、Si₃N₄、SiC等。

（1）Al₂O₃陶瓷基板

Al₂O₃陶瓷基板由于價(jià)格低廉、力學(xué)性能較好，而且工藝技術(shù)純熟，是目前應(yīng)用最為廣泛的陶瓷基板材料。但是Al₂O₃陶瓷的熱導(dǎo)率較低（24W/(m•k），在一定程度上限制了其在大功率電子產(chǎn)品中的應(yīng)用。

（2）BeO陶瓷基板

BeO陶瓷導(dǎo)熱性能優(yōu)良，綜合性能良好，能夠滿足較高的電子封裝要求，但是其熱導(dǎo)率隨溫度波動(dòng)變化較大，溫度升高其熱導(dǎo)率大幅下降。此外，BeO有劇毒，已逐漸淡出封裝應(yīng)用領(lǐng)域。

（3）SiC陶瓷基板

SiC陶瓷具有很高的熱導(dǎo)率，熱膨脹系數(shù)也與Si接近，而且SiC的物理性能較好，具有高耐磨性和高硬度，但是SiC是強(qiáng)共價(jià)鍵化合物，燒結(jié)溫度高達(dá)2000多攝氏度，而且需要加入少量的燒結(jié)助劑才能燒結(jié)致密，導(dǎo)致SiC陶瓷基板制備能耗大，生產(chǎn)成本高。

（4）Si₃N₄陶瓷基板

Si₃N₄陶瓷的熱導(dǎo)率與抗彎強(qiáng)度較高，能滿足集成電路向高集成化、多層化、輕型化等特性發(fā)展，另外Si₃N₄陶瓷的強(qiáng)度和斷裂韌性較高，耐熱疲勞性能良好，是一種有著良好發(fā)展前景的高熱導(dǎo)率高強(qiáng)度陶瓷基板材料。

（5）AlN陶瓷基板

AlN陶瓷作為一種新型的LED封裝基板材料，具有熱導(dǎo)率高（其理論熱導(dǎo)率可達(dá)320W/(m•k）)、強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)低、介電損耗小、耐高溫及化學(xué)腐蝕，而且無毒環(huán)保等優(yōu)良性能，是被國內(nèi)外一致看好最具發(fā)展前景的一種陶瓷材料。

直接鍍銅陶瓷基板（DPC）

（圖片來源：同欣電子）

DPC又稱直接鍍銅陶瓷基板。其制作首先將陶瓷基片進(jìn)行前處理清洗，利用真空濺射方式在基片表面沉積Ti/Cu層作為種子層，接著以光刻、顯影、刻蝕工藝完成線路制作，最后再以電鍍/化學(xué)鍍方式增加線路厚度，待光刻膠去除后完成基板制作。

DPC基板制備工藝流程

DPC的優(yōu)點(diǎn)與不足

優(yōu)點(diǎn)：

（1）低溫工藝（300℃以下），完全避免了高溫對(duì)材料或線路結(jié)構(gòu)的不利影響，也降低了制造工藝成本。

（2）采用薄膜與光刻顯影技術(shù)，使基板上的金屬線路更加精細(xì)（線寬尺寸20~30μm，表面平整度低于0.3μm，線路對(duì)準(zhǔn)精度誤差小于±1%），因此DPC基板非常適合對(duì)準(zhǔn)精度要求較高的電子器件封裝。

缺點(diǎn)：

（1）電鍍沉積銅層厚度有限，且電鍍廢液污染大；

（2）金屬層與陶瓷間的結(jié)合強(qiáng)度較低，產(chǎn)品應(yīng)用時(shí)可靠性較低；

（3）電鍍生長(zhǎng)速度低，線路層厚度有限(一般控制在10μm~100μm)，難以滿足大電流功率器件封裝需求。

DPC關(guān)鍵技術(shù)

1、金屬線路層與陶瓷基片的結(jié)合強(qiáng)度

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渡層，從而提高界面結(jié)合強(qiáng)度。由于過渡層與陶瓷間的結(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渡層(同時(shí)作為電鍍種子層)。

2、電鍍填孔

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：易于填充通孔，降低孔內(nèi)鍍層缺陷；表面鍍層結(jié)構(gòu)致密，厚度均勻；可采用較高電流密度進(jìn)行電鍍，提高沉積效率。

DPC基板應(yīng)用

1、IGBT封裝

絕緣柵雙極晶體管以輸入阻抗高、開關(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)。

2、LD封裝

激光二極管(LD)又稱半導(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。

3、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。

4、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，利用太陽能電池將太陽光直接轉(zhuǎn)化為電能。由于聚焦作用導(dǎo)致太陽光密度增加，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熱界面材料(TIM)分別與芯片和熱沉連接，熱量通過陶瓷基板快速傳導(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。

中國粉體網(wǎng)將在鄭州舉辦“2021第四屆新型陶瓷技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇”。屆時(shí)，來自華中科技大學(xué)的陳明祥教授帶來題為《高性能陶瓷電路板技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用》的報(bào)告，陳明祥教授將重點(diǎn)介紹電鍍陶瓷基板（DPC）技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化及其在功率半導(dǎo)體、高溫電子器件、高頻晶振、小型熱電制冷器TEC等領(lǐng)域應(yīng)用，并對(duì)相關(guān)技術(shù)發(fā)展進(jìn)行展望。（鑒于當(dāng)前防控需要，原定于2021年8月13-14日在鄭州喆鵬酒店舉辦的“第四屆新型陶瓷技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇”將延期舉辦，計(jì)劃參會(huì)的單位可以聯(lián)系會(huì)務(wù)組，具體舉辦日期主辦方確定后將第一時(shí)間通知您�。�

專家介紹：

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，主持和參與各類科研項(xiàng)目20余項(xiàng)，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)明專利20余項(xiàng)（其中DPC陶瓷基板技術(shù)已通過專利轉(zhuǎn)讓實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化）。曾獲國家技術(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。

參考來源：

[1]程浩，陳明祥等.電子封裝陶瓷基板

[2]程浩，陳明祥等.功率電子封裝用陶瓷基板技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)展

[3]吳朝暉，陳明祥等.大功率LED封裝基板技術(shù)與發(fā)展現(xiàn)狀

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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