摘要：隨著功率器件特別是第三代半導體的崛起與應用，半導體器件逐漸向大功率、小型化、集成化、多功能等方向發展，對封裝基板性能也提出了更高要求。陶瓷基板（又稱陶瓷電路板）具有熱導率高、耐熱性好、熱膨脹系數低、機械強度高、絕緣性好、耐腐蝕、抗輻射等特點，在電子器件封裝中得到廣泛應用。本文分析了常用陶瓷基片材料（包括Al2O3、AlN、Si3N4、BeO、SiC和BN等）的物理特性，重點對各種陶瓷基板（包括薄膜陶瓷基板TFC、厚膜印刷陶瓷基板TPC、直接鍵合陶瓷基板DBC、直接電鍍陶瓷基板DPC、活性金屬焊接陶瓷基板AMB、激光活化金屬陶瓷基板LAM以及各種三維陶瓷基板等）的制備原理、工藝流程、技術特點和具體應用等進行了論述，最后對電子封裝陶瓷基板發展趨勢進行了展望。

第一代半導體以硅 （Si）、鍺 （Ge） 材料為代表，主要應用在數據運算領域，奠定了微電子產業基礎。第二代半導體以砷化鎵 （GaAs）、磷化銦 （InP） 為代表，主要應用于通信領域，用于制作高性能微波、毫米波及發光器件，奠定了信息產業基礎。隨著技術發展和應用需要的不斷延伸，二者的局限性逐漸體現出來，難以滿足高頻、高溫、高功率、高能效、耐惡劣環境以及輕便小型化等使用需求。

以碳化硅 （SiC） 和氮化鎵 （GaN） 為代表的第三代半導體材料具有禁帶寬度大、臨界擊穿電壓高、熱導率高、載流子飽和漂移速度大等特點，其制作的電子器件可在 300°C 甚至更高溫度下穩定工作 （又稱為功率半導體或高溫半導體），是固態光源 （如 LED）、激光器 （LD）、電力電子 （如IGBT）、聚焦光伏 （CPV）、微波射頻 （RF） 等器件的“核芯”，在半導體照明、汽車電子、新一代移動通信 （5G）、新能源與新能源汽車、高速軌道交通、消費類電子等領域具有廣闊的應用前景，有望突破傳統半導體技術瓶頸，與第一代、第二代半導體技術互補，在光電器件、電力電子、汽車電子、航空航天、深井鉆探等領域具有重要應用價值，對節能減排、產業轉型升級、催生新經濟增長點將發揮重要作用。

伴隨著功率器件 （包括 LED、LD、IGBT、CPV 等） 不斷發展，散熱成為影響器件性能與可靠性的關鍵技術。對于電子器件而言，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展功率器件的技術瓶頸。以大功率 LED 封裝為例，由于輸入功率的 70% ~ 80% 轉變成為熱量 （只有約 20% ~ 30% 轉化為光能），且 LED 芯片面積小，器件功率密度很大 （大于 100 W/cm2），因此散熱成為大功率 LED 封裝必須解決的關鍵問題。如果不能及時將芯片發熱導出并消散，大量熱量將聚集在 LED 內部，芯片結溫將逐步升高，一方面使 LED 性能降低 （如發光效率降低、波長紅移等），另一方面將在 LED 器件內部產生熱應力，引發一系列可靠性問題 （如使用壽命、色溫變化等）。

封裝基板主要利用材料本身具有的高熱導率，將熱量從芯片 （熱源） 導出，實現與外界環境的熱交換。對于功率半導體器件而言，封裝基板必須滿足以下要求：

（1） 高熱導率。目前功率半導體器件均采用熱電分離封裝方式，器件產生的熱量大部分經由封裝基板傳播出去，導熱良好的基板可使芯片免受熱破壞。

（2） 與芯片材料熱膨脹系數匹配。功率器件芯片本身可承受較高溫度，且電流、環境及工況的改變均會使其溫度發生改變。由于芯片直接貼裝于封裝基板上，兩者熱膨脹系數匹配會降低芯片熱應力，提高器件可靠性。

（3） 耐熱性好，滿足功率器件高溫使用需求，具有良好的熱穩定性。

（4） 絕緣性好，滿足器件電互連與絕緣需求。

（5） 機械強度高，滿足器件加工、封裝與應用過程的強度要求。

（6） 價格適宜，適合大規模生產及應用。

目前常用電子封裝基板主要可分為高分子基板、金屬基板 （金屬核線路板，MCPCB） 和陶瓷基板幾類。對于功率器件封裝而言，封裝基板除具備基本的布線 （電互連） 功能外，還要求具有較高的導熱、耐熱、絕緣、強度與熱匹配性能。因此，高分子基板 （如 PCB） 和金屬基板 （如 MCPCB） 使用受到很大限制；而陶瓷材料本身具有熱導率高、耐熱性好、高絕緣、高強度、與芯片材料熱匹配等性能，非常適合作為功率器件封裝基板，目前已在半導體照明、激光與光通信、航空航天、汽車電子、深海鉆探等領域得到廣泛應用。

本文主要介紹幾種常用陶瓷基板及其制備方法，并對陶瓷基板技術和發展趨勢進行了展望。

01 陶瓷基片材料

作為封裝基板，要求陶瓷基片材料具有如下性能：

（1） 熱導率高，滿足器件散熱需求；

（2） 耐熱性好，滿足功率器件高溫 （大于 200°C） 應用需求；

（3） 熱膨脹系數匹配，與芯片材料熱膨脹系數匹配，降低封裝熱應力；

（4） 介電常數小，高頻特性好，降低器件信號傳輸時間，提高信號傳輸速率；

（5） 機械強度高，滿足器件封裝與應用過程中力學性能要求；

（6） 耐腐蝕性好，能夠耐受強酸、強堿、沸水、有機溶液等侵蝕；

（7） 結構致密，滿足電子器件氣密封裝需求；

（8） 其他性能要求，如對于光電器件應用，還對陶瓷基片材料顏色、反光率等提出了要求。

目前，常用電子封裝陶瓷基片材料包括氧化鋁 （Al2O3）、氮化鋁 （AlN）、氮化硅 （Si3N4 ）、氧化鈹 （BeO）等。下面分別介紹其性能與技術特點。

1.1 氧化鋁 （Al2O3）

氧化鋁陶瓷呈白色，熱導率為 20 W/（m·K） ~ 30 W/（m·K），25°C ~ 200°C 溫度范圍內熱膨脹系數為 7.0×10-6/°C ~8.0×10-6/°C，彈性模量約為 300GPa，抗彎強度為 300MPa~400MPa，介電常數為10，其粉料與樣品如圖 1 所示。

圖1 （a） Al2O3 陶瓷粉末和 （b） Al2O3 陶瓷基片

氧化鋁陶瓷基片成型方法主要有軋膜法、流延法和凝膠注膜法等。其中后兩種方法采用去離子水代替有機溶劑，既可降低成本，也有利于環保，是 Al2O3陶瓷片制備主要研究方向之一。

由于Al2O3 晶格能較大，離子鍵較強，因此燒結溫度較高，95%Al2O3 陶瓷燒結溫度為 1650°C~1700°C，99% Al2O3 陶瓷燒結溫度則高達 1800°C。如此高的燒結溫度不僅導致制作成本偏高，而且所得到的產品晶粒粗大，氣孔難以排除，導致Al2O3 陶瓷氣孔率增加，力學性能降低。

研究表明，在原料中加入適量添加劑可降低燒結溫度，降低陶瓷氣孔率，提高陶瓷材料致密性與熱導率。常用添加劑有生成液相型燃燒助劑 （如 Si、CaO、SrO 和 BaO 等堿金屬氧化物）、生成固溶體型燒結助劑 （如 TiO2、MnO2、Fe2O3和Cr2O3等） 以及稀土燒結助劑 （如 Y2O3、La2O3、Sm2O3 以及 Nd2O3 等稀土氧化物）。

根據 Al2O3 粉料與添加劑的不同含量，可將 Al2O3陶瓷分為 75 瓷、85 瓷、96 瓷、99 瓷等不同牌號。

氧化鋁陶瓷具有原料來源豐富、價格低廉、絕緣性高、耐熱沖擊、抗化學腐蝕及機械強度高等優點，是一種綜合性能較好的陶瓷基片材料，占陶瓷基片材料總量的 80% 以上。但由于其熱導率相對較低 （99% 氧化鋁熱導率約為 30 W/（m·K），熱膨脹系數較高，一般應用在汽車電子、半導體照明、電氣設備等領域。

1.2 氮化鋁 （AlN）

氮化鋁材料呈灰白色 （如圖 2 所示），屬于六方晶系，是以 ［AlN4］ 四面體為結構單元的纖鋅礦型共價鍵化合物。該結構決定了其具有優良的熱學、電學和力學性能。AlN 陶瓷理論熱導率可達320 W/（m·K），其商用產品熱導率一般為 180 W/（m·K） ~260 W/（m·K），25°C~200°C 溫度范圍內熱膨脹系數為 4×10-6/°C （與 Si 和 GaAs 等半導體芯片材料基本匹配），彈性模量為 310 GPa，抗彎強度為 300 MPa ~ 340 MPa，介電常數為 8~10。

圖 2 （a） AlN 陶瓷粉末和 （b） AlN 陶瓷基片

AlN 陶瓷燒結同樣需要燒結助劑來改善性能，提高質量。常用助燒劑有Y2O3、CaO、Li2O、BaO、MgO、SrO、La2O3 、HfO2和 CeO2 等 。

助燒劑的主要作用有兩方面：一是形成低熔點物相，實現液相燒結進而降低燒結溫度；二是與晶格中的雜質氧發生反應，使晶格完整化，進而提高陶瓷性能。一般而言，二元或多元燒結助劑往往可以獲得更好的燒結效果。助燒劑加入方式有兩種，一是直接添加，另一種是以可溶性硝酸鹽形式制成前驅體原位生產燒結助劑。

傳統 AlN 陶瓷成型方法有模壓、等靜壓和熱壓等，但這些方法生產周期長、效率低、制品各方向受力不均勻，無法滿足電子封裝需求。近年來業界逐步開發了流延成型、注凝成型、注射成型等工藝。其中，流延法主要適用于制備片狀產品，分為有機和無機體系。相對而言，有機流延體系具有溶劑選擇范圍廣、干燥時間短、防止粉體水化等特點，但常用的醇、酮及苯等有機溶劑具有一定毒性，生產受到一定限制。

因此，目前行業內主要采用水基流延成型法，但也存在坯體干燥易起泡和變形、燒結易開裂以及制品表面不光滑等問題。氮化鋁陶瓷熱導率為氧化鋁陶瓷的 6~8 倍，但熱膨脹系數只有其 50%，此外還具有絕緣強度高、介電常數低、耐腐蝕性好等優勢。除了成本較高外，氮化鋁陶瓷綜合性能均優于氧化鋁陶瓷，是一種非常理想的電子封裝基片材料，尤其適用于導熱性能要求較高的領域。

1.3 氮化硅陶瓷 （Si3N4）

Si3N4 具有三種晶體結構，分別是 α 相、β 相和 γ 相 （其中 α 與 β 相是最常見形態），均為六方結構，其粉料與基片呈灰白色，如圖 3 所示。Si3N4 陶瓷基片彈性模量為 320 GPa，抗彎強度為 920 MPa，熱膨脹系數僅為 3.2 ×10-6/°C，介電常數為 9.4，具有硬度大、強度高、熱膨脹系數小、耐腐蝕性高等優勢。

由于 Si3N4陶瓷晶體結構復雜，對聲子散射較大，因此早期研究認為其熱導率低 ，如Si3N4軸承球、結構件等產品熱導率只有 15 W/（m·K） ~ 30 W/（m·K）。1995 年，Haggerty 等人通過經典固體傳輸理論計算表明，Si3N4材料熱導率低的主要原因與晶格內缺陷、雜質等有關，并預測其理論值最高可達 320 W/（m·K）。

之后，在提高Si3N4材料熱導率方面出現了大量的研究，通過工藝優化，氮化硅陶瓷熱導率不斷提高，目前已突破 177 W/（m·K）。

圖 3 （a） 氮化硅陶瓷粉末和 （b） 氮化硅陶瓷基片

陶瓷傳熱機制同樣為聲子傳熱。晶格中的雜質往往伴隨著空位、位錯等結構缺陷，降低了聲子平均自由程，導致熱導率降低，因此制備高純粉體是制備高熱導率 Si3N4 陶瓷的關鍵。

目前，市場上商用Si3N4粉料制備方法主要有兩種，分別為硅粉直接氮化法及硅亞胺熱解法。前者工藝較成熟，生產成本低，因此國內外大多數企業使用該法來生產 Si3N4粉料。但該方法所生產的 Si3N4粉料含有Fe、Ca、Al 等雜質，雖然可以通過酸洗去除，但大大增加了生產成本。后者可制備出具有較高燒結活性的Si3N4粉料，不含金屬雜質元素，粒徑分布在 0.2 μm~1 μm，且產量巨大，但技術難度較高。

Si3N4 陶瓷燒結助劑一般為金屬氧化物、稀土氧化物或二者的混合物。Zhou 等人 采用Y2O3-MgO 燒結助劑制備出氮化硅熱導率高達 177 W/（m·K），這是目前為止報道的 Si3N4 陶瓷最高熱導率。

但是，氧化物燒結助劑會在 Si3N4 晶體中引入氧原子，導致熱導率降低。采用非氧化物燒結助劑可減少氧含量，對于凈化 Si3N4 晶格、減少晶界玻璃相、提高熱導率及高溫力學性能具有重要意義。

梁振華等人分別以MgSiN2 和MgSiN2 與Y2O3 混合物作為燒結助劑，在相同條件下制備 Si3N4 陶瓷，前者熱導率為 90 W/（m·K），而后者僅為70 W/（m·K）。Hayashi 等人以 Yb2O3-MgSiN2 和Yb2O3-MgO作為燒結助劑，在相同條件下制備 Si3N4 陶瓷，結果發現前者熱導率更高。

Si3N4 陶瓷燒結方法主要有反應燒結、常壓燒結、熱壓燒結和放電等離子燒結等。反應燒結具有線收縮率低、成本低等優點，但其致密度低、力學性能差、熱導率低。常壓燒結與熱壓燒結制備的 Si3N4 陶瓷具有較好的機械性能，但熱導率偏低，成本較高。氣壓燒結是指在燒結過程中施加壓力約為 1 MPa ~ 10 MPa 的氣體 （通常為 N2 ） 以抑制Si3N4 分解，促進粉料致密化，獲得高密度產品。

放電等離子燒結是一種通過壓力場、溫度場和電流場等效應燒結制備陶瓷的新技術。在現有可作為基板材料使用的陶瓷材料中，Si3N4陶瓷抗彎強度高 （大于 800 MPa），耐磨性好，是綜合機械性能最好的陶瓷材料，同時其熱膨脹系數最小，因而被認為是一種很有潛力的功率器件封裝基片材料。但是其制備工藝復雜，成本較高，熱導率偏低，主要適合應用于強度要求較高但散熱要求不高的領域。

1.4 氧化鈹 （BeO）

BeO 材料密度低，具有纖鋅礦型和強共價鍵結構，其粉末與基片均為白色，如圖 4 所示。BeO相對分子量較低，導致材料熱導率高，如純度為 99% 的 BeO 陶瓷室溫熱導率可達 310 W/（m·K）；其禁帶寬度高達 10.6 eV，介電常數為 6.7，彈性模量為 350 GPa，抗彎強度為 200 MPa，具有良好的綜合性能。

圖 4 （a） BeO 陶瓷粉末和 （b） BeO 陶瓷基片

但是，BeO 材料也存在一些不足，包括：（1） BeO 粉體具有毒性，人體大量吸入后將導致急性肺炎，長期吸入會引起慢性鈹肺病，因此在生產過程中要采用特殊防護措施；（2） BeO 燒結溫度高達1900°C 以上，生產成本高；（3） 熱導率隨著溫度升高而降低，如在 0°C ~ 600°C 溫度范圍內，BeO陶瓷平均熱導率為 206.67 W/（m·K），但當溫度升高到 800°C 時，其熱導率降低為十分之一，上述原因限制了氧化鈹的推廣應用。

但在某些大功率、高頻半導體器件以及航空電子設備和衛星通訊中，為了追求高導熱和理想高頻特性，仍在采用 BeO 陶瓷基片。目前，美國是全球主要的 BeO 陶瓷基板生產和消費國，福特和通用等汽車公司在點火裝置中大量使用 BeO 陶瓷基板。

1.5 其它陶瓷基片材料

除了上述陶瓷材料外，碳化硅 （SiC）、氮化硼 （BN） 等也都可作為陶瓷基片材料。其中，SiC 單晶材料室溫熱導率可達 490 W/（m·K），但 SiC 多晶體熱導率僅為 67 W/（m·K）。此外，SiC 材料介電常數為 40，是 AlN 陶瓷的 4 倍，限制了其高頻應用。BN 材料具有較好的綜合性能，但作為基片材料，它沒有突出優點，且價格昂貴，與半導體材料熱膨脹系數也不匹配，目前仍處于研究中。SiC和 BN 陶瓷基板如圖 5 所示。

圖 5 （a） SiC 陶瓷基片和 （b） BN 陶瓷基片

表 1 對幾種常用的陶瓷基片材料性能進行了對比。

表 1 常用陶瓷基片材料性能

02 陶瓷基板制備技術

陶瓷基板又稱陶瓷電路板，包括陶瓷基片和金屬線路層。對于電子封裝而言，封裝基板起著承上啟下，連接內外散熱通道的關鍵作用，同時兼有電互連和機械支撐等功能。陶瓷具有熱導率高、耐熱性好、機械強度高、熱膨脹系數低等優勢，是功率半導體器件封裝常用的基板材料。根據封裝結構和應用要求，陶瓷基板可分為平面陶瓷基板和三維陶瓷基板兩大類。

2.1 平面陶瓷基板

根據制備原理與工藝不同，平面陶瓷基板可分為薄膜陶瓷基板 （Thin Film Ceramic Substrate，TFC）、厚膜印刷陶瓷基板 （Thick Printing Ceramic Substrate， TPC）、直接鍵合銅陶瓷基板 （Direct Bonded Copper Ceramic Substrate， DBC）、活性金屬焊接陶瓷基板 （Active Metal Brazing Ceramic Substrate， AMB）、直接電鍍銅陶瓷基板 （Direct Plated Copper Ceramic Substrate， DPC） 和激光活化金屬陶瓷基板 （Laser Activated Metallization Ceramic Substrate， LAM） 等。

薄膜陶瓷基板 （TFC）

薄膜陶瓷基板一般采用濺射工藝直接在陶瓷基片表面沉積金屬層。如果輔助光刻、顯影、刻蝕等工藝，還可將金屬層圖形化制備成線路，如圖 6 所示。由于濺射鍍膜沉積速度低 （一般低于 1 μm/h），因此 TFC 基板表面金屬層厚度較小 （一般小于 1 μm），可制備高圖形精度 （線寬/線距小于 10 μm） 陶瓷基板，主要應用于激光與光通信領域小電流器件封裝。

圖 6 薄膜陶瓷基板 （TFC） 產品

厚膜印刷陶瓷基板 （TPC）

通過絲網印刷將金屬漿料涂覆在陶瓷基片上，干燥后經高溫燒結 （溫度一般在 850°C ~ 900°C） 制備 TPC 基板，其工藝流程如圖 7 所示。

圖 7 TPC 基板制備工藝流程圖

根據金屬漿料粘度和絲網網孔尺寸不同，制備的金屬線路層厚度一般為 10 μm~20 μm （提高金屬層厚度可通過多次絲網印刷實現）。TFC 基板制備工藝簡單，對加工設備和環境要求低，具有生產效率高、制造成本低等優點。但是，由于絲網印刷工藝限制，TFC 基板無法獲得高精度線路 （最小線寬/線距一般大于 100 μm）。此外，為了降低燒結溫度，提高金屬層與陶瓷基片結合強度，通常在金屬漿料中添加少量玻璃相，這將降低金屬層電導率和熱導率。因此 TPC 基板僅在對線路精度要求不高的電子器件 （如汽車電子） 封裝中得到應用。TPC 基板樣品及其截面圖如圖 8 所示。

圖 8 （a） TPC 基板產品及其 （b） 截面圖

目前 TPC 基板關鍵技術在于制備高性能金屬漿料。金屬漿料主要由金屬粉末、有機載體和玻璃粉等組成。漿料中可供選擇的導體金屬有 Au、Ag、Ni、Cu 和 Al 等。銀基導電漿料因其具有較高的導電、導熱性能及相對低廉的價格而應用廣泛 （占金屬漿料市場 80% 以上份額 ）。研究表明，銀顆粒粒徑、形貌等對導電層性能影響很大。如Park等人通過加入適量納米銀顆粒降低了銀漿電阻率；Zhou等人指出金屬層電阻率隨著球狀銀顆粒尺寸減小而降低，片狀銀粉（尺寸 6 μm）制備的金屬漿料電阻率遠小于同樣尺寸球狀銀粉制備的漿料。

金屬漿料中有機載體決定了漿料的流動性、潤濕性和粘接強度，從而直接影響絲網印刷質量以及后期燒結成膜的致密性和導電性。尹海鵬等人指出，當有機載體中纖維素含量為 1% ~ 4%時，加入少量氫化蓖麻油可降低有機載體剪切強度，有利于漿料印刷和流平。

加入玻璃料可降低金屬漿料燒結溫度，降低生產成本和基板應力。目前商用低溫玻璃料幾乎都含有鉛元素，對環境和人體造成傷害。Chen 等人采用Bi2O3-SiO2-B2O3-Al2O3-ZnO系納米玻璃粉制備金屬銀漿，用于太陽能電池電極制造，研究發現該漿料具有良好的潤濕性和結合強度，光伏電池光電轉換效率提高。

直接鍵合陶瓷基板 （DBC）

DBC 陶瓷基板制備首先在銅箔 （Cu） 和陶瓷基片 （Al2O3 或 AlN） 間引入氧元素，然后在 1065°C 形成 Cu/O 共晶相 （金屬銅熔點為 1083°C），進而與陶瓷基片和銅箔發生反應生成 CuAlO2 或 Cu（AlO2）2，實現銅箔與陶瓷間共晶鍵合，其制備工藝和產品分別如圖 9 和圖 10 所示。由于陶瓷和銅具有良好的導熱性，且銅箔與陶瓷間共晶鍵合強度高，因此 DBC 基板具有較高的熱穩定性，已廣泛應用于絕緣柵雙極二極管 （IGBT）、激光器（LD）和聚焦光伏（CPV）等器件封裝散熱中。

圖9 DBC陶瓷基板制備工藝流程

圖10 DBC陶瓷基板產品

DBC 基板銅箔厚度較大 （一般為100 μm ~ 600μm），可滿足高溫、大電流等極端環境下器件封 裝應用需求（為降低基板應力與翹曲，一般采用Cu-Al2O3-Cu 的三明治結構，且上下銅層厚度相同）。

雖然DBC基板在實際應用中有諸多優勢，但在制備過程中要嚴格控制共晶溫度及氧含量，對設備和工藝控制要求較高，生產成本也較高。此外，由于厚銅刻蝕限制，無法制備出高精度線路層。

在DBC基板制備過程中，氧化時間和氧化溫度是最重要的兩個參數。銅箔經預氧化后，鍵合界面能形成足夠CuxOy相潤濕Al2O3陶瓷與銅箔，具有較高的結合強度；若銅箔未經過預氧化處理，CuxOy 潤濕性較差，鍵合界面會殘留大量空洞和缺陷，降低結合強度及熱導率。對于采用AlN陶瓷制備DBC基板，還需對陶瓷基片進行預氧化，先生成Al2O3薄膜，再與銅箔發生共晶反應。謝建軍等人用DBC技術制備Cu/Al2O3、Cu/AlN陶瓷基板，銅箔和AlN陶瓷間結合強度超過8N/mm，銅箔和AlN間存在厚度為2μm的過渡層，其成分主要為Al2O3、CuAlO2和Cu2O。

活性金屬焊接陶瓷基板 （AMB）

AMB陶瓷基板利用含少量活性元素的活性金屬焊料實現銅箔與陶瓷基片間的焊接，其工藝流程如圖11所示。

圖11 AMB陶瓷基板制備工藝流程

活性焊料通過在普通金屬焊料中添加Ti、Zr、Hf、 V、Nb 或 Ta等稀土元素制備，由于稀土元素具有高活性，可提高焊料熔化后對陶瓷的潤濕性，使 陶瓷表面無需金屬化就可與金屬實現焊接。AMB基板制備技術是DBC基板工藝的改進（DBC基板 制備中銅箔與陶瓷在高溫下直接鍵合，而AMB基板采用活性焊料實現銅箔與陶瓷基片間鍵合），通過選用活性焊料可降低鍵合溫度（低于800°C），進而降低陶瓷基板內部熱應力。此外，AMB基板依靠活性焊料與陶瓷發生化學反應實現鍵合，因此結合強度高，可靠性好。但是該方法成本較高，合適的活性焊料較少，且焊料成分與工藝對焊接質量影響較大，目前只有少數國外企業掌握了AMB基板量產技術，其樣品與截面結構如圖12所示。

目前，制備活性焊料是AMB基板制備關鍵技術。活性焊料的最初報道是1947年Bondley采用TiH2活性金屬法連接陶瓷與金屬，在此基礎上，Bender等人提出Ag-Cu-Ti活性焊接法。活性焊料主要分為高溫活性焊料（活性金屬為Ti、V和Mo等，焊接溫度1000°C~1250°C）、中溫活性焊料（活性金屬為 Ag-Cu-Ti，焊接溫度 700°C ~ 800°C，保護氣體或真空下焊接） 和低溫活性焊料（活性金屬為Ce、Ga和Re，焊接溫度200°C~300°C）。中高溫活性焊料成分簡單，操作容易，焊接界面 機械強度高，在金屬-陶瓷焊接中得到廣泛應用。Naka等人分別采用Cu60Ti34活性焊料焊接Si3N4 陶瓷和NiTi50活性焊料焊接SiC，前者室溫下焊接界面剪切強度達到313.8MPa，而后者在室溫、300°C和700°C時的焊接界面剪切強度分別為158MPa、316MPa和260MPa。

圖 12 （a） AMB 陶瓷基板產品及其 （b）截面圖

由于DBC陶瓷基板制備工藝溫度高，金屬-陶瓷界面應力大，因此AMB技術越來越受到業界 關注，特別是采用低溫活性焊料。如Chang等人使用Sn3.5Ag4Ti（Ce，Ga）活性焊料在250°C下分別 實現了ZnS-SiO2、ITO陶瓷以及Al2O3陶瓷與Cu層焊接；Tsao等人使用Sn3.5Ag4Ti（Ce）活性焊 料實現了Al 與微亞弧氧化鋁 （MAO-Al）間焊接。

直接電鍍陶瓷基板 （DPC）

DPC 陶瓷基板制備工藝如圖 13所示。首先利用激光在陶瓷基片上制備通孔（孔徑一般為60μm~120μm），隨后利用超聲波清洗陶瓷基片；采用磁控濺射技術在陶瓷基片表面沉積金屬種子層（Ti/Cu），接著通過光刻、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13 DPC陶瓷基板制備工藝流程

從圖 13 可以看出，DPC 陶瓷基板制備前端采用了半導體微加工技術（濺射鍍膜、光刻、顯影等）， 后端則采用了印刷線路板 （PCB） 制備技術 （圖形電鍍、填孔、表面研磨、刻蝕、表面處理等），技術優勢明顯。

具體特點包括：（1） 采用半導體微加工技術，陶瓷基板上金屬線路更加精細 （線寬/線距可低至30μm~50μm，與線路層厚度相關），因此DPC基板非常適合對準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，實現了陶瓷基板上/下表面垂直互聯，可實現電子器件三維封裝與集成，降低器件體積，如圖14（b） 所示；（3）采用電鍍生長控制線路層厚度（一般為 10μm~100μm），并通過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）避免了高溫對基片材料和金屬線路層的不利影響，同時也降低了生產成本。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。

圖 14 （a） DPC 陶瓷基板產品及其 （b）截面圖

但是，DPC 基板也存在一些不足：（1） 金屬線路層采用電鍍工藝制備，環境污染嚴重；（2）電鍍生長速度低，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。目前DPC陶瓷基板主要應用于大功率LED封裝，生產廠家主要集中在我國臺灣地區，但從2015年開始大陸地區已開始實現量產。

金屬線路層與陶瓷基片的結合強度是影響DPC陶瓷基板可靠性的關鍵。由于金屬與陶瓷間熱膨 脹系數差較大，為降低界面應力，需要在銅層與陶瓷間增加過渡層，從而提高界面結合強度。由于過渡層與陶瓷間的結合力主要以擴散附著及化學鍵為主，因此常選擇Ti、Cr和Ni等活性較高、擴 散性好的金屬作為過渡層（同時作為電鍍種子層）。

Lim等人采用50W的Ar等離子束對Al2O3基片清洗10min，隨后再濺射1μm±0.2μm的銅薄膜，二者粘結強度高于34MPa，而未進行等離子 清洗的基片與銅薄膜的粘結強度僅為7MPa。占玙娟在濺射Ti/Ni（其厚度分別為200nm與400nm） 薄膜之前，采用600eV、700mA的低能離子束對AlN陶瓷基片清洗15min，所得到的金屬薄膜與 陶瓷基片的粘結強度大于30MPa。可以看出，對陶瓷基片進行等離子清洗可大大提高與金屬薄膜間 的結合強度，這主要是因為：（1） 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 的轟擊而產生懸掛鍵，與金屬原子結合更緊密。

電鍍填孔也是DPC陶瓷基板制備的關鍵技術。目前DPC基板電鍍填孔大多采用脈沖電源，其 技術優勢包括：（1） 易于填充通孔，降低孔內鍍層缺陷；（2） 表面鍍層結構致密，厚度均勻；（3）可采用較高電流密度進行電鍍，提高沉積效率。陳珍等人采用脈沖電源在1.5ASD電流密度下電鍍2h，實現了深寬比為6.25的陶瓷通孔無缺陷電鍍。但脈沖電鍍成本高，因此近年來新型直流電鍍又重新得到重視，通過優化電鍍液配方（包括整平劑、抑制劑等），實現盲孔或通孔高效填充。如林金堵等人通過優化電鍍添加劑、攪拌強度及方式和電流參數，實現了通孔與盲孔電鍍。

激光活化金屬陶瓷基板 （LAM）

LAM基板制備利用特定波長的激光束選擇性加熱活化陶瓷基片表面，隨后通過電鍍/化學鍍完成線路層制備，工藝流程如圖 15（a） 所示。其技術優勢包括：（1）無需采用光刻、顯影、刻蝕等微加工工藝，通過激光直寫制備線路層，且線寬由激光光斑決定，精度高 （可低至10 μm~20 μm），如圖15（b） 所示；（2）可在三維結構陶瓷表面制備線路層，突破了傳統 平面陶瓷基板金屬化的限制，如圖15（c） 所示；（3）金屬層與陶瓷基片結合強度高，線路層表面平整，粗糙度在納米級別。從上可以看出，雖然 LAM技術可在平面陶瓷基板或立體陶瓷結構上加工線路層，但其線路層由激光束“畫”出來，難以大批量生產，導致價格極高，目前主要應用在航空航天領域異型陶瓷散熱件加工。

圖15 （a）LAM基板工藝流程；（b）LAM基板加工示意圖；（c）LAM基板產品

表2對不同工藝制備的平面陶瓷基板性能進行了對比。

表2 平面陶瓷基板性能對比

2.2 三維陶瓷基板制備技術

許多微電子器件 （如加速度計、陀螺儀、深紫外LED 等）芯片對空氣、濕氣、灰塵等非常敏感。如LED芯片理論上可工作10萬小時以上，但水汽侵蝕會大大縮短其壽命（甚至降低至幾千小時）。為了提高這些微電子器件性能（特別是可靠性），必須將其芯片封裝在真空或保護氣體中，實現氣密 封裝 （芯片置于密閉腔體中，與外界氧氣、濕氣、灰塵等隔絕）。因此，必須首先制備含腔體（圍壩） 結構的三維基板，滿足封裝應用需求。

目前，常見的三維陶瓷基板主要有：高/低溫共燒陶瓷基板（High/LowTemperature Co-fired Ceramic Substrate，HTCC/LTCC）、多層燒結三維陶瓷基板（Multilayer Sintering Ceramic Substrate，MSC）、直接粘接三維陶瓷基板 （Direct Adhere Ceramic Substrate，DAC）、多層鍍銅三維陶瓷基板（Multilayer Plated Ceramic Substrate，MPC）以及直接成型三維陶瓷基板（Direct Molding Ceramic Substrate，DMC）等。

高/低溫共燒陶瓷基板（HTCC/LTCC）

HTCC 基板制備過程中先將陶瓷粉 （Al2O3 或 AlN）加入 有機黏結劑，混合均勻后成為膏狀陶瓷漿料，接著利用刮刀將陶瓷漿料刮成片狀，再通過干燥工藝使片狀漿料形成生胚；然后根據線路層設計鉆導通孔，采用絲網印刷金屬漿料進行布線和填孔，最后將各生胚層疊加，置于高溫爐（1600°C）中燒結而成，如圖16所示。由于HTCC基板制備工藝溫 度高，因此導電金屬選擇受限，只能采用熔點高但導電性較差的金屬（如W、Mo及Mn等），制作 成本較高。此外，受到絲網印刷工藝限制，HTCC基板線路精度較差，難以滿足高精度封裝需求。但 HTCC 基板具有較高機械強度和熱導率 ［20 W/（m·K） ~ 200W/（m·K）］，物化性能穩定，適合大功 率及高溫環境下器件封裝，如圖17 （a） 所示。Cheah 等人將HTCC工藝應用于微型蒸汽推進器，制備的微型加熱器比硅基推進器效率更高，能耗降低21%以上。

圖 16 （a） HTCC 陶瓷基板制備工藝流程和 （b）結構示意圖

圖17 （a）HTCC陶瓷基板產品和（b）LTCC陶瓷基板產品

為了降低HTCC制備工藝溫度，同時提高線路層導電性，業界開發了LTCC基板。與HTCC制 備工藝類似，只是 LTCC制備在陶瓷漿料中加入了一定量玻璃粉來降低燒結溫度，同時使用導電性 良好的Cu、Ag和Au等制備金屬漿料，如圖17（b）所示。LTCC基板制備溫度低，但生產效率高， 可適應高溫、高濕及大電流應用要求，在軍工及航天電子器件中得到廣泛應用。

Yuan 等人選用CaO-BaO-Al2O3-B2O3-SiO2/AlN體系原料，當AlN組分含量為40%時，研制的LTCC基板熱導率 為5.9W/（m·K），介電常數為6.3，介電損耗為4.9×10-3，彎曲強度高達178MPa。Qing等人采用 Li2O-Al2O3-SiO2/Al2O3體系原料，制備的LTCC基板抗彎強度為155MPa，介電損耗為2.49×10-3。

雖然LTCC 基板具有上述優勢，但由于在陶瓷漿料中添加了玻璃粉，導致基板熱導率偏低［一般僅為3W/（m·K）~7W/（m·K）］。此外，與HTCC一樣，由于LTCC基板采用絲網印刷技術制作金屬線路，有可能因張網問題造成對位誤差，導致金屬線路層精度低；而且多層陶瓷生胚疊壓燒結時還存在收縮比例差異問題，影響成品率，一定程度上制約了LTCC基板技術發展。Yan等人經過表面處理將LTCC基板翹曲由150μm~250μm降低至80μm~110 μm；Sim等人通過改進LTCC 基板封裝形式，去掉芯片與金屬基底間絕緣層，模擬和實驗結果顯示其熱阻降低為7.3W/（m·K），滿足大功率LED封裝需求。

多層燒結三維陶瓷基板（MSC）

與HTCC/LTCC基板一次成型制備三維陶瓷基板不同，臺灣陽升公司采用多次燒結法制備了MSC 基板。其工藝流程如圖18 所示，首先制備厚膜印刷陶瓷基板（TPC），隨后通過多次絲網印刷將陶瓷漿料印刷于平面 TPC基板上，形成腔體結構，再經高溫燒結而成，得到的MSC基板樣品如圖19所示。

圖18 MSC陶瓷基板制備工藝流程

圖19 MSC三維陶瓷基板產品

由于陶瓷漿料燒結溫度一般在800°C左右，因此要求 下部的TPC基板線路層必須能耐受如此高溫，防止在燒結過程中出現脫層或氧化等缺陷。由上文可知，TPC 基板線路層由金屬漿料高溫燒結 （一般溫度為850°C ~ 900°C）制備，具有較好的耐高溫性 能，適合后續采用燒結法制備陶瓷腔體。

MSC基板技術生產設備和工藝簡單，平面基板與腔體結構 獨立燒結成型，且由于腔體結構與平面基板均為無機陶瓷材料，熱膨脹系數匹配，制備過程中不會出現脫層、翹曲等現象。其缺點在于，下部 TPC基板線路層與上部腔體結構均采用絲網印刷布線，圖形精度較低；同時，因受絲網印刷工藝限制，所制備的MSC基板腔體厚度（深度）有限。因此MSC三維基板僅適用于體積較小、精度要求不高的電子器件封裝。

直接粘接三維陶瓷基板 （DAC）

上述HTCC、LTCC及MSC 基板線路層都采用絲網印刷制備，精度較低，難以滿足高精度、高集成度封裝要求，因此業界提出在高精度DPC陶瓷基板上成型腔體制備三維陶瓷基板。由于DPC基板金屬線路層在高溫（超過300°C）下會出現氧化、起泡甚至脫層等現象，因此基于DPC技術的三維陶瓷基板制備必須在低溫下進行。

臺灣璦司柏公司（ICP）提出采用膠粘法制備三維陶瓷基板，樣品如圖20所示。首先加工金屬環和DPC陶瓷基板，然后采用有機粘膠將金屬環與DPC基板對準后粘接、加熱固化，如圖21所示。由于膠液流動性好，因此涂膠工藝簡單，成本低，易于實現批量生產，且所有制備工藝均在低溫下進行，不會對DPC基板線路層造成損傷。但是，由于有機粘膠耐熱性差，固化體與金屬、陶瓷間熱膨脹系數差較大，且為非氣密性材料，目前DAC陶瓷基板主要應用于線路精度要求較高，但對耐熱性、氣密性、可靠性等要求較低的電子器件封裝。

圖20 有機膠接法制備DAC陶瓷基板產品

圖21 DAC三維陶瓷基板制備工藝流程

為了解決上述不足，業界進一步提出采用無機膠替代有機膠的粘接技術方案，大大提高了DAC三維陶瓷基板的耐熱性和可靠性。其技術關鍵是選用無機膠，要求其能在低溫（低于 200°C）下固化；固化體耐熱性好（能長期耐受300°C高溫），與金屬、陶瓷材料粘接性好（剪切強度大于10MPa），同時與金屬環 （圍壩） 和陶瓷基片材料熱膨脹系數匹配 （降低界面熱應力）。美國科銳公司（Cree）XRE 系列產品封裝基板既采用了該技術方案，如圖22。

圖 22 無機膠粘結制備 DAC 三維陶瓷基板：（a） 產品圖；（b）結構圖

多層電鍍三維陶瓷基板 （MPC）

為了發揮 DPC 陶瓷基板技術優勢（高圖形精度、垂直互連等）， 吳朝暉等人提出采用多次/層電鍍增厚技術，在DPC陶瓷基板上直接制備具有厚銅圍壩結構的三維陶瓷基板，如圖23（a）所示。其制備工藝與DPC基板類似，只是在完成平面DPC基板線路層加 工后，再通過多次光刻、顯影和圖形電鍍完成圍壩制備（厚度一般為500μm~700μm），如圖24所示。需要指出的是，由于干膜厚度有限（一般為50μm~80μm），需要反復進行光刻、顯影、圖形電 鍍等工藝；同時為了提高生產效率，需要在電鍍增厚圍壩時提高電流密度，導致鍍層表面粗糙，需要不斷進行研磨，保持鍍層表面平整與光滑。

圖 23 多層電鍍三維陶瓷基板 MPC：（a）產品；（b）結構示意圖

圖24 多層電鍍三維陶瓷基板（MPC）工藝流程圖

MPC 基板采用圖形電鍍工藝制備線路層，避免了HTCC/LTCC與TPC基板線路粗糙問題，滿足高精度封裝要求。陶瓷基板與金屬圍壩一體化成型為密封腔體，結構緊湊，無中間粘結層，氣密性高。

MPC基板整體為全無機材料，具有良好的耐熱性，抗腐蝕、抗輻射等。金屬圍壩結構形狀可以任意設計，圍壩頂部可制備出定位臺階，便于放置玻璃透鏡或蓋板，目前已成功應用于深紫外LED封裝和VCSEL激光器封裝，已部分取代LTCC基板。其缺點在于：由于干膜厚度限制，制備過程需要反復進行光刻、顯影、圖形電鍍與表面研磨，耗時長（厚度為600 μm圍壩需要電鍍10h以上），生產成本高；此外，由于電鍍圍壩銅層較厚，內部應力大，MPC基板容易翹曲變形，影響后續的芯片封裝質量與效率。

直接成型三維陶瓷基板（DMC）

為了提高三維陶瓷基板生產效率，同時保證基板線路精度與可 靠性，陳明祥等人提出制備含免燒陶瓷圍壩的三維陶瓷基板，其樣品如圖25所示。為了制備具有高結合強度、高耐熱性的陶瓷圍壩，實驗采用堿激發鋁硅酸鹽漿料（alkali-activated aluminosilicate cement paste， ACP）作為圍壩結構材料。圍壩由偏高嶺土在堿性溶液中脫水縮合而成，具有低溫固化、耐熱性好（可長期耐受500°C高溫）、與金屬/陶瓷粘接強度高、抗腐蝕，物化性能穩定等優點，滿足電子封裝應用需求。

圖25 采用免燒陶瓷漿料制備的DMC三維陶瓷基板樣品及其結構示意圖

DMC基板制備工藝流程如圖26所示，首先制備平面DPC陶瓷基板，同時制備帶孔橡膠模具；將橡膠模具與DPC陶瓷基板對準合模后，向模具腔內填充犧牲模材料；待犧牲模材料固化后，取下橡膠模具，犧牲模粘接于DPC陶瓷基板上，并精確復制橡膠模具孔結構特征，作為鋁硅酸鹽漿料成型模具；隨后將鋁硅酸鹽漿料涂覆于DPC陶瓷基板上并刮平，加熱固化，最后將犧牲模材料腐蝕，得到含鋁硅酸鹽免燒陶瓷圍壩的三維陶瓷基板。

圖26 漿料直接成型法制備三維基板流程

鋁硅酸鹽漿料固化溫度低，對DPC陶瓷基板線路層影響極小，并與DPC基板制備工藝兼容。橡膠具有易加工、易脫模以及價格低廉等特點，能精確復制圍壩結構（腔體）形狀與尺寸，保證圍壩加工精度。實驗結果表明，腔體深度、直徑加工誤差均小于30μm，說明該工藝制備的三維陶瓷基板精度高，重復性好，適合量產。鋁硅酸鹽漿料加熱后脫水縮合，主要產物為無機聚合物，其耐熱性好，熱膨脹系數與陶瓷基片匹配，具有良好的熱穩定性；固化體與陶瓷、金屬粘接強度高，制備的三維陶瓷基板可靠性高。圍壩厚度（腔體高度）取決于模具厚度，理論上不受限制，可滿足不同結構和尺寸的電子器件封裝要求。

表3比較了上述不同三維陶瓷基板性能的一些基本性能。與表2重復或類似的數據不再列入。

表3三維陶瓷基板性能對比

03

陶瓷基板性能與檢測

目前，陶瓷基板性能檢測尚無國家或行業標準。其主要性能包括基板外觀、力學性能、熱學性 能、電學性能、封裝性能 （工作性能）和可靠性等。

外觀檢測：陶瓷基板外觀檢測一般采用肉眼或顯微鏡，檢測基板表面是否有裂縫、孔洞，金屬 層表面是否有氣泡、脫層、劃痕或污漬等質量缺陷。此外，陶瓷基板尺寸、基板平整度（翹曲）、金屬線路層厚度與表面粗糙度、線寬與間距等都是需要重點檢測的內容。

力學性能：平面陶瓷基板力學性能主要指金屬線路層結合強度，表示金屬層與陶瓷基片間的粘 接強度，直接決定了后續器件封裝質量（固晶強度與可靠性等）。不同方法制備的陶瓷基板結合強度 差別較大，通常采用高溫工藝制備的平面陶瓷基板（如TPC、DBC等），其金屬層與陶瓷基片間通過 化學鍵連接，結合強度較高；而低溫工藝制備的陶瓷基板 （如 DPC基板），金屬層與陶瓷基片間主要 以范德華力及機械咬合力為主，結合強度偏低。

常用結合強度測試方法包括：

（1） 膠帶法：將3M 膠帶緊貼金屬層表面，用橡皮滾筒在上面滾壓，以去除粘接面內氣泡。10s后用垂直于金屬層的拉力使膠帶剝離，檢測金屬層是否從基片上剝離，屬于一種定性測試方法。

（2） 焊線法：選用直徑為0.5 mm或1.0mm的金屬線，通過焊料熔化直接焊接在基板金屬層上， 隨后用拉力計沿垂直方向測量金屬線抗拉力。

（3） 剝離強度法：將陶瓷基板表面金屬層蝕刻（劃切） 成 5 mm ′ 10 mm長條，然后在剝離強度 測試機上沿垂直方向撕下，測試其剝離強度。要求剝離速度為50mm/min，測量頻率為10次/s。

對于三維陶瓷基板而言，力學性能還包括圍壩與平面陶瓷基板間的結合強度，不同方法制備的三維陶瓷基板圍壩結合強度差別很大。由于HTCC/LTCC、MSC基板采用高溫燒結工藝制備，圍壩與基板界面以化學鍵為主，結合強度較高；而以粘接、電鍍、漿料固化技術成型的圍壩，其結合強度相對較低。常用測試方法包括剪切強度測試和拉伸強度測試，測試構型如圖27所示。

圖 27 （a） 剪切強度測試示意圖；（b）拉伸強度測試示意圖

熱學性能：陶瓷基板熱學性能主要包括熱導率、耐熱性、熱膨脹系數和熱阻等。陶瓷基板在器 件封裝中主要起散熱作用，因此其熱導率是重要的技術指標；耐熱性主要測試陶瓷基板在高溫下是否翹曲、變形，表面金屬線路層是否氧化變色、起泡或脫層，內部通孔是否失效等。由于陶瓷基板一般為多層結構，其導熱特性不僅與陶瓷基片材料熱導率有關 （體熱阻），還與材料界面結合情況密 切相關（界面接觸熱阻）。因此，采用熱阻測試儀（可測量多層結構的體熱阻和界面熱阻）能有效評價陶瓷基板導熱性能。

電學性能：陶瓷基板電學性能主要指基板正反面金屬層是否導通（內部通孔質量是否良好）。由 于DPC 陶瓷基板通孔直徑較小，在電鍍填孔時會出現未填實、氣孔等缺陷，一般可采用X射線測試 儀 （定性，快速） 和飛針測試機 （定量，便宜）評價陶瓷基板通孔質量。

封裝性能：陶瓷基板封裝性能主要指可焊性與氣密性（限三維陶瓷基板）。

可焊性是指芯片或金屬引線能否順利與基板金屬層焊接（鍵合） 在一起，同時具有一定鍵合強度。為提高陶瓷基板可焊性，一般需在基板金屬層進行表面處理（如化學鍍銀，化學鍍Ni/Au、Ni/Pd/Au等），可防止金屬層氧化，同時提高金屬層可焊性。表面處理層成分與厚度對可焊性影響較大，通常可采用引線鍵合機和剪切強度測試儀進行評估。

將芯片貼裝于三維陶瓷基板腔體內，用蓋板 （金屬或玻璃） 將腔體密封便可實現器件氣密封裝。圍壩材料與焊接材料氣密性直接決定了器件封裝氣密性，不同方法制備的三維陶瓷基板氣密性存在一定差異。對三維陶瓷基板主要測試圍壩材料與結構的氣密性，主要有氟油氣泡法和氦質譜儀法。

可靠性測試與分析

可靠性主要測試陶瓷基板在特定環境下 （高溫、低溫、高濕、輻射、腐蝕、高頻振動等）的性能 變化，主要內容包括耐熱性、高溫存儲、高低溫循環、熱沖擊、耐腐蝕、抗腐蝕、高頻振動等。對于失效樣品，可采用掃描電鏡 （SEM） 和 X 射線衍射儀 （XRD）分別進行微觀和成分分析；采用掃 描聲顯微鏡 （SAM） 和 X射線檢測儀進行焊接界面和缺陷分析。

04

陶瓷基板應用

隨著功率器件技術的不斷發展，特別是隨著第三代半導體技術的興起，陶瓷基板因其良好的導熱、耐熱、高強度與高可靠性等，應用領域與需求量不斷擴展。下面簡要介紹陶瓷基板在不同電子封裝領域的應用。

4.1 電力電子器件封裝

自上世紀50年代以來，電力電子器件從晶閘管過渡到GTR/GTO/MOSFET，再逐漸發展到絕緣 柵雙極晶體管 （Insulate-Gate Bipolar Transistor， IGBT）。與前兩代相比，第三代電力電子器件（如 IGBT）具有頻率高、功率大和開關速度快等優勢，在國防軍事、航天航空、電動牽引、軌道交通、新能源汽車以及家用電子器件領域得到廣泛應用。由于 IGBT輸出功率高，發熱量大，散熱不良將損壞 IGBT 芯片，因此對于 IGBT封裝而言，散熱是其技術關鍵，必須采用陶瓷基板強化散熱， 如圖28。目前，IGBT封裝主要采用DBC陶瓷基板，原因在于DBC基板金屬線路層較厚（一般為 100 μm ~ 600μm），具有載流能力大、耐高溫性好及可靠性高等特點。

圖28 （a）IGBT模塊及（b）采用DBC基板封裝IGBT模塊

4.2 激光器 （LD）封裝

LD是受激輻射的半導體器件，廣泛應用于工業、軍事、醫療和3D打印等領域，如圖29（a）所示。目前國際上90μm~ 100 μm單管9××nm器件商用產品輸出功率在12W~ 18 W 之間，實驗室水 平可達20W ~25W。由于LD 電光轉換效率約為50%~ 60%，工作時大量熱量集中在有源區， 導致結溫升高，引發腔面災變性光學損傷或飽和現象，嚴重限制LD輸出功率和使用壽命。此外，熱膨脹系數不匹配導致器件內部產生熱應力，輸出光在快軸方向呈非線性分布，給光束準直、整形及光纖耦合帶來極大挑戰，是阻礙高功率激光器廣泛應用的主要因素之一。

因此，在 LD封裝中必 須采用導熱性能良好、熱膨脹系數匹配的陶瓷基板。由于AlN陶瓷具有熱導率高、熱膨脹系數低等 優點，因此LD封裝普遍使用AlN陶瓷基板，如圖29（b）所示。倪羽茜等人采用AlN和SiC兩 種陶瓷制成三明治型熱沉實現了大功率LD單管高功率輸出，模擬分析和實驗結果顯示，SiC和AlN材料制備的陶瓷基板熱阻分別為1.19K/W和1.30K/W，二者在15A時輸出功率分別為13.1W和16.3 W，峰值電光轉換效率分別為 63.9% 和68.3%。

圖29 （a）藍光LD器件及（b）采用DBC基板封裝LD結構示意圖

4.3 發光二極管 （LED）封裝

同 LD 一樣，發光二極管 （LED）也是一種基于電光轉換的半導體功率器件，具有電光轉換效率 高、響應快、壽命長和節能環保等優勢，目前已廣泛應用于通用照明、信號指示、汽車燈具和背光顯示等領域。隨著LED技術發展，芯片尺寸和驅動電流不斷提高，LED模組功率密度也不斷提高， 散熱問題越來越嚴重。

大功率LED封裝基板先后經歷了三個階段：金屬支架、金屬基板和陶瓷基 板。由于陶瓷基板具有高絕緣、高導熱和耐熱、低膨脹等特性，特別是采用垂直通孔技術的DPC陶 瓷基板，可有效滿足倒裝共晶、COB（板上芯片封裝）、CSP（芯片尺寸封裝）等技術白光LED 封裝需求，如圖30所示。對于紫外LED模組，采用三維陶瓷基板，可滿足其高效散熱與氣密封裝需求，如圖31所示。

圖30 白光LED模組及其陶瓷封裝示意圖

圖31 紫外LED模組及其封裝結構圖

4.4 熱電制冷器 （TEC）封裝

熱電制冷片（ThermoelectricCooler， TEC）是一種常用的半導體制冷器件，其工作原理為帕爾貼效應，其樣品如圖32（a） 所示，結構示意圖如圖32 （b）所示。熱電制冷技術優勢明顯，主要表現在：（1）無運動部件，無噪聲，無磨損、壽命長，易于調控，可靠性高；（2）不使用制冷劑，無泄漏，對環境無污染；（3）制冷器尺寸小，重量輕，適合小容積、小尺寸等特殊環境電子器件散熱。由于熱電制冷效率與半導體粒子數量呈正相關，單位面積粒子數量越多，熱電制冷效率越高。DPC陶瓷基板圖形精度高，可提高粒子布置密度，從而有效提高熱電制冷效率。

圖 32（a） 熱電制冷片樣品；（b）熱電制冷片封裝示意圖

4.5 高溫電子器件 （HTE）封裝

航空航天、深海鉆探、汽車等領域電子器件需要能夠在極端環境（如高溫、高濕、高壓、高腐蝕、高輻射、高頻振動等） 下工作，因此封裝材料必須具有高耐熱性和抗濕性，同時器件芯片必須密封于腔體中，避免外界環境的侵蝕和破壞。前述三維陶瓷基板（如HTCC、LTCC、MPC和DMC等） 具有高強度腔體結構，氣密性良好，可滿足惡劣環境下器件封裝要求，如圖 33所示。

圖33 采用LTCC氣密封裝的晶振及其封裝結構圖

4.6 其他功率器件封裝

因具有良好的導熱性、耐熱性和可靠性，陶瓷基板也同樣應用在很多其他功率或高溫器件封裝 中。如聚焦光伏器件封裝，由于聚焦作用導致太陽光密度增加，芯片溫度升高，必須采用陶瓷基板強化散熱，如圖 34 所示。此外，在微波射頻領域，為了降低損耗，需采用高頻特性良好的HTCC 或LTCC基板來提高速度，如圖35所示。

圖 34 聚焦光伏模組 （CPV）及其封裝示意圖

圖35汽車傳感器及射頻器件

05

陶瓷基板發展趨勢分析

陶瓷基板具有高導熱、高耐熱、高絕緣、高強度、低熱脹、耐腐蝕及抗輻射等特點，在功率器件及高溫電子器件封裝中得到廣泛應用。隨著半導體技術不斷發展，功率器件也將逐漸向大功率、小型化、集成化、多功能等方向發展，對封裝用陶瓷基板性能也提出了更高要求，具體表現在以下幾個方面。

陶瓷基片材料多樣化

氧化鋁 （Al2O3）材料熱導率低，熱膨脹系數較高，但因其技術成熟，成 本低，綜合性價比高，將在今后很長時間內占據陶瓷基板主導地位。氮化鋁（AlN）材料熱導率高，熱膨脹系數低，但價格高，目前僅限于導熱性能要求較高的功率器件（如LD）封裝。氮化硅（Si3N4）材料熱導率適中，熱膨脹系數小，抗彎強度高（大于800MPa），是一種很有潛力的功率器件封裝基 板材料，特別是在大功率、大溫變、高可靠的電力電子器件 （如 IGBT）封裝。

但總體而言，目前陶瓷基片價格偏高，原因在于國內陶瓷基片廠家大多依賴進口陶瓷粉料。因此今后陶瓷基片主要研究方向包括超細、超純粉料制備，多元助燒劑 （主要為堿金屬氧化物和稀土元素）組合，無害、高效、 高精度成型技術及先進燒結技術研發，從而不斷降低陶瓷基片成本。

陶瓷基板高精度與小型化

為了滿足器件小型化發展要求，必須不斷提高陶瓷基板線路層加工精度（線寬/線距）。對于TPC、HTCC/LTCC和MSC陶瓷基板，其線路層采用絲網印刷金屬漿料制備，圖形精度較 低（一般大于100μm）。對于DBC和AMB陶瓷基板，其線路層通過濕法腐蝕金屬銅層得到，由于 銅層較厚，其圖形精度也較低（一般大于200μm）。而對于DPC、MPC和DMC陶瓷基板，其線路 層通過圖形電鍍生長制備，圖形精度高 （一般可控制在小于 50μm，取決于線路層厚度）。因此，對 于集成度較高和小型化功率器件封裝，開始逐漸采用圖形精度較高的DPC陶瓷基板（如圖36）。

圖 36 高精度DPC 基板及其封裝的小型熱電制冷器（TEC） 陶瓷基板集成化

一般而言，TPC、DBC 和AMB陶瓷基板只適合制備單面線路層（或雙面線路層，但上下層不導通）。如果要實現上下層導通，需要先激光打孔（孔徑一般大于200μm），然后孔內填充金屬漿料后燒結而成，孔內金屬層導電、導熱性差，基板可靠性低。HTCC/LTCC基板采用多層生胚片疊加（金屬通孔對準）后燒結制備，因此可實現基板內垂直互連，提高封裝集成度，但HTCC/LTCC基板電阻率大，電流通載能力低。

DPC 陶瓷基板采用激光打孔（孔徑一般為60 μm ~120 μm）和電鍍填孔技術制備金屬通孔，由于孔內電鍍填充致密銅柱，導電導熱性能優良，因而可實現陶瓷基板上下線路層垂直互連。在此基礎上，通過電鍍增厚等技術制備圍壩，可得到含圍壩結構的三維陶瓷基板；如果采用焊接/粘接技術實現多片DPC基板垂直集成，則可以進一步得到多層陶瓷基板 （Multilayer Ceramic Substrate， MLC，如圖37），滿足功率器件三維封裝和異質集成需求。

圖 37 多層陶瓷基板及其封裝集成 面向具體應用的陶瓷基板技術研發

一方面，隨著第三代半導體 （包括 GaN、SiC、AlN 等）技 術發展，功率器件開始在半導體照明、電力電子、微波射頻、5G 通信、新能源及新能源汽車等領域飛速發展，對陶瓷基板需求激增。目前由于陶瓷基板制備技術和標準缺失，國內企業主要跟蹤美國、日本等技術先進國家進行研發與生產，高端產品（特別是圖形精度高、電流通載能力強等）完全依賴進口；另一方面，航空航天、武器裝備、深海鉆探、汽車電子等領域惡劣環境（高溫、超低溫、大溫變、高濕、強腐蝕、高輻射、高頻振動等） 對封裝陶瓷基板也提出了新要求（解決陶瓷基板體積 和重量大、耐熱性差、可靠性差等問題）。

總體而言，陶瓷基板在功率器件封裝中占據舉足輕重的作用，是各國重點研發的關鍵電子材料。因此迫切需要加強陶瓷基板核心技術研發 （包括陶瓷粉料、基片及基板制備技術等），滿足國內飛速 發展的市場需求。

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結束語

鑒于陶瓷具有良好的導熱性、耐熱性、高絕緣、高強度、低熱脹、耐腐蝕和抗輻射等優點，陶瓷基板在功率器件和高溫電子器件封裝中得到廣泛應用。目前，陶瓷基片材料主要有Al2O3、AlN、Si3N4、SiC、BeO 和BN。由于Al2O3和AlN具有較好的綜合性能，兩者分別在低端和高端陶瓷基板市場占據主流，而Si3N4基板由于抗彎強度高，今后有望在高功率、大溫變電力電子器件（如IGBT）封裝領域發揮重要作用。

平面陶瓷基板主要包括薄膜陶瓷基板 （TFC）、厚膜印刷陶瓷基板（TPC）、直接鍵合陶瓷基板（DBC）、活性金屬焊接陶瓷基板 （AMB）、直接電鍍陶瓷基板 （DPC） 和激光活化金屬陶瓷基板（LAM）等。其中，TFC 基板圖形精度高，但金屬層較薄，主要應用于小電流光電器件封裝；TPC基板耐熱 性好，成本低，但線路層精度差，主要應用于汽車傳感器等領域；DBC和AMB基板線路層較厚， 耐熱性較好，主要應用于高功率、大溫變的 IGBT 封裝；DPC基板具有圖形精度高、可垂直互連等優點，主要應用于大功率LED 封裝；而LAM基板則滿足了航空航天領域異型陶瓷結構件散熱需求。

為了實現器件氣密封裝，業界開發了多種三維陶瓷基板制備技術，主要包括高溫/低溫共燒陶瓷基板 （HTCC/LTCC）、多層燒結三維陶瓷基板 （MSC）、直接粘結三維陶瓷基板（DAC）、多層鍍銅三 維陶瓷基板 （MPC） 和直接成型三維陶瓷基板 （DMC） 等。

其中，HTCC/LTCC、MSC基板均采用絲 網印刷與高溫燒結工藝制備，腔體可靠性高，但金屬線路層精度較差；MPC、DAC和DMC基板通過在DPC基板上電鍍、粘接和固化成型圍壩，具有金屬線路層精度高，圍壩與基板結合強度高等優 點，有望在今后的功率器件氣密封裝、三維封裝與集成領域發揮重要作用。后期陶瓷基板將主要沿著高精度、小型化、集成化方向發展。

審核編輯 ：李倩