4 、基板種類及其特性比較

　　現(xiàn)階段較普遍的陶瓷散熱基板種類共有HTCC、LTCC、DBC、DPC四種，其中HTCC屬于較早期發(fā)展的技術(shù)，但由于燒結(jié)溫度較高使其電極材料的選擇受限，且制作成本相對昂貴，這些因素促使LTCC的發(fā)展，LTCC雖然將共燒溫度降至約850℃，但缺點是尺寸精確度、產(chǎn)品強度等不易控制。而DBC與DPC則為國內(nèi)近幾年才開發(fā)成熟，且能量產(chǎn)化的專業(yè)技術(shù)，DBC是利用高溫加熱將Al2O3與Cu板結(jié)合，其技術(shù)瓶頸在于不易解決Al2O3與Cu板間微氣孔產(chǎn)生之問題，這使得該產(chǎn)品的量產(chǎn)能量與良率受到較大的挑戰(zhàn)，而DPC技術(shù)則是利用直接鍍銅技術(shù)，將Cu沉積于Al2O3基板之上，其工藝結(jié)合材料與薄膜工藝技術(shù)，其產(chǎn)品為近年最普遍使用的陶瓷散熱基板。然而其材料控制與工藝技術(shù)整合能力要求較高，這使得跨入DPC產(chǎn)業(yè)并能穩(wěn)定生產(chǎn)的技術(shù)門檻相對較高。

　　4.1 LTCC （Low-Temperature Co-fired Ceramic）

　　LTCC 又稱為低溫共燒多層陶瓷基板，此技術(shù)須先將無機的氧化鋁粉與約30%~50%的玻璃材料加上有機黏結(jié)劑，使其混合均勻成為泥狀的漿料，接著利用刮刀把漿料刮成片狀，再經(jīng)由一道干燥過程將片狀漿料形成一片片薄薄的生胚，然后依各層的設(shè)計鉆導(dǎo)通孔，作為各層訊號的傳遞，LTCC內(nèi)部線路則運用網(wǎng)版印刷技術(shù)，分別于生胚上做填孔及印制線路，內(nèi)外電極則可分別使用銀、銅、金等金屬，最后將各層做疊層動作，放置于850~900℃的燒結(jié)爐中燒結(jié)成型，即可完成。詳細制造過程LTCC生產(chǎn)流程圖4.1

　　圖4.1LTCC生產(chǎn)流程圖

　　4.2 HTCC （High-Temperature Co-fired Ceramic）

　　HTCC又稱為高溫共燒多層陶瓷，生產(chǎn)制造過程與LTCC極為相似，主要的差異點在于HTCC的陶瓷粉末并無加入玻璃材質(zhì)，因此，HTCC的必須再高溫1300~1600℃環(huán)境下干燥硬化成生胚，接著同樣鉆上導(dǎo)通孔，以網(wǎng)版印刷技術(shù)填孔與印制線路，因其共燒溫度較高，使得金屬導(dǎo)體材料的選擇受限，其主要的材料為熔點較高但導(dǎo)電性卻較差的鎢、鉬、錳…等金屬，最后再疊層燒結(jié)成型。

　　4.3 DBC （Direct Bonded Copper） ‖

　　直接敷銅技術(shù)是利用銅的含氧共晶液直接將銅敷接在陶瓷上，其基本原理就是敷接過程前或過程中在銅與陶瓷之間引入適量的氧元素，在1065℃~1083℃范圍內(nèi)，銅與氧形成Cu-O共晶液， DBC技術(shù)利用該共晶液一方面與陶瓷基板發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成 CuAlO2或CuAl2O4相，另一方面浸潤銅箔實現(xiàn)陶瓷基板與銅板的結(jié)合。陶瓷基板直接敷銅板的制造流程圖如下圖4.2。

　　（a） Al2O3陶瓷基板敷銅板工藝 （b） AlN陶瓷基板敷銅板工藝

　　圖4.2 直接敷銅陶瓷基板工藝示意圖

　　直接敷銅陶瓷基板由于同時具備銅的優(yōu)良導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和陶瓷的機械強度高、低介電損耗的優(yōu)點，所以得到廣泛的應(yīng)用。在過去的幾十年里，敷銅基板在功率電子封裝方面做出了很大的貢獻，這主要歸因于直接敷銅基板具有如下性能特點：

　　● 熱性能好；

　　● 電容性能；

　　● 高的絕緣性能；

　　● Si相匹配的熱膨脹系數(shù)；

　　● 電性能優(yōu)越，載流能力強。

　　直接敷銅陶瓷基板最初的研究就是為了解決大電流和散熱而開發(fā)出來的，后來又應(yīng)用到AlN陶瓷的金屬化。除上述特點外還具有如下特點使其在大功率器件中得到廣泛應(yīng)用：

　　● 機械應(yīng)力強，形狀穩(wěn)定；高強度、高導(dǎo)熱率、高絕緣性；結(jié)合力強，防腐蝕；

　　● 極好的熱循環(huán)性能，循環(huán)次數(shù)達5萬次，可靠性高；

　　● 與PCB板（或IMS基片）一樣可刻蝕出各種圖形的結(jié)構(gòu)；無污染、無公害；

　　● 使用溫度寬-55℃～850℃；熱膨脹系數(shù)接近硅，簡化功率模塊的生產(chǎn)工藝。

　　由于直接敷銅陶瓷基板的特性，就使其具有PCB基板不可替代特點。DBC的熱膨脹系數(shù)接近硅芯片，可節(jié)省過渡層Mo片，省工、節(jié)材、降低成本，由于直接敷銅陶瓷基板沒有添加任何釬焊成分，這樣就減少焊層，降低熱阻，減少孔洞，提高成品率，并且在相同載流量下 0.3mm厚的銅箔線寬僅為普通印刷電路板的10%；其優(yōu)良的導(dǎo)熱性，使芯片的封裝非常緊湊，從而使功率密度大大提高，改善系統(tǒng)和裝置的可靠性。

　　為了提高基板的導(dǎo)熱性能，一般是減少基板的厚度，超薄型（0.25mm）DBC板可替代BeO，直接敷接銅的厚度可以達到0.65mm，這樣直接敷銅陶瓷基板就能承載較大的電流且溫度升高不明顯，100A電流連續(xù)通過1mm寬0.3mm厚銅體，溫升約17℃；100A電流連續(xù)通過2mm寬0.3mm厚銅體，溫升僅5℃左右。與釬焊和Mo-Mn法相比，DBC具有很低的熱阻特性，以10×10mmDBC板的熱阻為例：

　　0.63mm厚度陶瓷基片DBC的熱阻為0.31K/W，0.38mm厚度陶瓷基片DBC的熱阻為0.19K/W，0.25mm厚度陶瓷基片DBC的熱阻為0.14K/W。

　　氧化鋁陶瓷的電阻最高，其絕緣耐壓也高，這樣就保障人身安全和設(shè)備防護能力；除此之外DBC基板可以實現(xiàn)新的封裝和組裝方法，使產(chǎn)品高度集成，體積縮小。

　　4.3.1 直接敷銅陶瓷基板發(fā)展趨勢

　　在大功率、高密度封裝中，電子元件及芯片等在運行過程中產(chǎn)生的熱量主要通過陶瓷基板散發(fā)到環(huán)境中，所以陶瓷基板在散熱過程中擔當了重要的角色。Al2O3陶瓷導(dǎo)熱率相對較低，在大功率、高密度封裝器件運行時須強制散熱才可滿足要求。BeO陶瓷導(dǎo)熱性能最好，但因環(huán)保問題，基本上被淘汰。SiC陶瓷金屬化后鍵合不穩(wěn)定，作為絕緣基板用時，會引起熱導(dǎo)率和介電常數(shù)的改變。AlN陶瓷具有高的導(dǎo)熱性能，適用于大功率半導(dǎo)體基片，在散熱過程中自然冷卻即可達到目的，同時還具有很好的機械強度、優(yōu)良的電氣性能。雖然目前國內(nèi)制造技術(shù)還需改進，價格也比較昂貴，但其年產(chǎn)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陶瓷做絕緣導(dǎo)熱基板已是大勢所趨，只不過是存在時間與性價比的問題。

　　4.3.2直接敷鋁（DAB）陶瓷基板與直接敷銅陶瓷基板（DBC）性能比較

　　直接敷鋁基板作為一種絕緣載體應(yīng)用于電子電路而取得長足進展，該技術(shù)借鑑了直接敷銅陶瓷基板技術(shù)。這類新型的直接敷Al基板在理論和實驗上表現(xiàn)出好的特性。盡管它的特性在很多方面相似于直接敷Cu基板。對于直接敷Cu基板，由于金屬銅的膨脹系數(shù)室溫時為17.0 ′10-6/°C，96氧化鋁陶瓷基板的熱膨脹系數(shù)室溫時為6.0′10-6/°C，銅和氧化鋁敷接的溫度較高（大于1000℃），界面會形成比較硬的產(chǎn)物CuAlO2，所以敷接銅的氧化鋁基板的內(nèi)應(yīng)力較大，抗熱震動性能相對較差，在使用中常常因疲勞而損壞。‖

　　鋁和銅相比，具有較低的熔點，低廉的價格和良好的塑性，純鋁的熔點只有660℃，純鋁的膨脹系數(shù)在室溫時為23.0′ 10-6/℃，金屬鋁和氧化鋁陶瓷基板的敷接是物理濕潤，在界面上沒有化學(xué)反應(yīng)，而且純鋁所具有的優(yōu)良的塑性能夠有效緩解界面因熱膨脹系數(shù)不同引起的熱應(yīng)力，研究也證實Al/Al2O3陶瓷基板具有非常優(yōu)良的抗熱震性能。這是直接敷Cu基板無法比擬的，同時金屬鋁和氧化鋁陶瓷之間的抗剝離強度也較大。

　　直接敷鋁基板作為基板特別適合于功率電子電路直接敷鋁基板性能不同于直接敷銅基板的性能，前者在高溫循環(huán)下有更好的穩(wěn)定性能。直接敷鋁基板的芯片也表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性，勝過直接敷銅基板。直接敷鋁基板以它的高的抗熱震性、低的重量，有望在將來開發(fā)出更好的性能，以滿足更高的需求。

　　4.3.3敷鋁陶瓷基板的發(fā)展趨勢

　　敷鋁陶瓷基板（DAB）以其獨特的性能應(yīng)用于絕緣載體，特別是功率電子電路。這種新型材料在很多方面都有和直接敷銅基板（DBC）相似的地方，而自身又具有顯著的抗熱震性能和熱穩(wěn)定性能，對提高在極端溫度下工作器件的穩(wěn)定性十分明顯。由Al-Al2O3基板、Al-AlN基板做成的電力器件模塊已成功應(yīng)用在日本汽車工業(yè)上。DAB基板在對高可靠性有特殊要求的器件上具有巨大的潛力，這就使其非常適合優(yōu)化功率電子系統(tǒng)、自動化、航空航天等。

　　4.4 DPC （Direct Plate Copper）

　　DPC亦稱為直接鍍銅基板， DPC基板工藝為例：首先將陶瓷基板做前處理清潔，利用薄膜專業(yè)制造技術(shù)－真空鍍膜方式于陶瓷基板上濺鍍結(jié)合于銅金屬復(fù)合層，接著以黃光微影之光阻被復(fù)曝光、顯影、蝕刻、去膜工藝完成線路制作，最后再以電鍍/化學(xué)鍍沉積方式增加線路的厚度，待光阻移除后即完成金屬化線路制作，詳細DPC生產(chǎn)流程圖如下圖。

　　

?