摘要：

散熱基板是大功率電子元器件散熱的重要通道, 其導(dǎo)熱性能將直接影響功率型電子元器件的可靠性與使用壽命。詳細介紹了陶瓷作為高導(dǎo)熱的散熱基板材料, 其表面金屬化的技術(shù)方案及發(fā)展現(xiàn)狀, 同時指出了各種金屬化方案的關(guān)鍵技術(shù)難點, 對比分析了各類陶瓷封裝散熱基板的特點與性能差異, 并在此基礎(chǔ)上對陶瓷基板的發(fā)展趨勢進行預(yù)測。

0.引言

隨著電子技術(shù)的不斷進步, 散熱問題已經(jīng)逐漸成為限制功率型電子產(chǎn)品朝著大功率與輕型化方向發(fā)展的瓶頸。熱量在功率型電子元器件內(nèi)部的不斷積累將使得芯片結(jié)溫逐步升高, 并產(chǎn)生熱應(yīng)力, 引發(fā)壽命降低及色溫變化等一系列可靠性問題。在功率型電子元器件的封裝應(yīng)用中, 散熱基板不僅承擔(dān)著電氣連接和機械支撐等功能, 更是熱量傳輸?shù)闹匾ǖ繹1]。對功率型電子器件而言, 其封裝基板應(yīng)具有較高的導(dǎo)熱性、絕緣性與耐熱性, 以及較高的強度和與芯片相匹配的熱膨脹系數(shù)[2,3]。
目前市面上常見的散熱基板以金屬基板 (MCPCB) 和陶瓷基板為主。MCPCB因受制于導(dǎo)熱絕緣層極低的導(dǎo)熱系數(shù), 已經(jīng)越來越難以適應(yīng)功率型電子元器件的發(fā)展要求。陶瓷基板作為新興的散熱材料, 其導(dǎo)熱率與絕緣性等綜合性能是普通MCPCB所無法比擬的, 而陶瓷基板表面金屬化是決定其實際應(yīng)用的重要前提。
本文詳細介紹陶瓷基板表面金屬化的技術(shù)方法及研究現(xiàn)狀, 并闡述了各種金屬化方案的原理, 指出了各方案的關(guān)鍵技術(shù)控制點, 旨在為功率型LED陶瓷封裝基板的選擇提供技術(shù)參考。

1.陶瓷表面金屬化研究現(xiàn)狀 

陶瓷基板在燒結(jié)成型之后, 需對其表面實施金屬化, 然后通過影像轉(zhuǎn)移的方法完成表面圖形的制作, 以實現(xiàn)陶瓷基板的電氣連接性能。表面金屬化對陶瓷基板的制作而言是至關(guān)重要的一環(huán), 這是因為金屬在高溫下對陶瓷表面的潤濕能力決定了金屬與陶瓷之間的結(jié)合力, 良好的結(jié)合力是LED封裝性能穩(wěn)定性的重要保證。
因此, 如何在陶瓷表面實施金屬化并改善二者之間的結(jié)合力成為眾多科技人員研究的重點[4,5,6]。目前, 陶瓷表面常見的金屬化方法大致可以分為共燒法 (HTCC和LTCC) 、厚膜法 (TFC) 、直接敷銅法 (DBC) 、直接敷鋁法 (DBA) 及薄膜法 (DPC) 等幾種形式[7,8]。

1.1 共燒法 (HTCC/LTCC)

共燒多層陶瓷基板因利用厚膜技術(shù)將信號線、微細線等無源元件埋入基板中能夠滿足集成電路的諸多要求, 故在近幾年獲得了廣泛的關(guān)注[9]。
共燒法有兩種, 一種是高溫共燒 (HTCC) , 另一種是低溫共燒 (LTCC) , 兩者工藝流程基本相同, 主要生產(chǎn)工藝流程均為漿料配制、流延生帶、干燥生坯、鉆導(dǎo)通孔、網(wǎng)印填孔、網(wǎng)印線路、疊層燒結(jié)以及最后的切片等后處理過程。將氧化鋁粉末與有機粘接劑混合形成漿料, 再利用刮刀把漿料加工成片狀, 經(jīng)干燥后形成陶瓷生坯[10], 然后根據(jù)設(shè)計要求在生坯上加工導(dǎo)通孔并填充金屬粉末, 利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在生坯表面涂布形成線路圖形。最后將各層生坯層疊后進行壓合, 在共燒爐內(nèi)完成燒結(jié)并成型。兩種共燒法雖流程大致相同, 但燒結(jié)的溫度卻相差很大。HTCC共燒溫度為1300~1600℃, 而LTCC燒結(jié)溫度則為850~900℃。造成這種差別的主要原因在于LTCC燒結(jié)漿料中加入了可以降低燒結(jié)溫度的玻璃材料, 這是HTCC共燒漿料中所沒有的。雖然玻璃材料可降低燒結(jié)溫度, 但是導(dǎo)致基板的熱導(dǎo)率大幅下降[11,12,13]。
共燒陶瓷基板在增加組裝密度、縮短互連長度、減少信號延遲、減小體積、提高可靠性等方面具有顯著的優(yōu)勢。共燒基板更多的應(yīng)用是將多種無源器件埋置于陶瓷漿料中燒結(jié), 制作成三維集成且互不干擾的高密度電路, 在其表面貼裝IC和有源器件, 制作成功能集成模塊, 進一步減小電路結(jié)構(gòu), 提高集成密度, 特別適用于高頻通訊用組件[13]。然而, 因HTCC與LTCC均是采用網(wǎng)版印刷完成圖形制作, 因此圖形尺寸精度及表面粗糙度受印刷工藝的影響較大。同時, 層壓過程中也極易造成圖形對位不精準(zhǔn)而導(dǎo)致公差累積過大等問題。再者, 生坯在燒結(jié)過程中容易出現(xiàn)收縮不一致的情況, 這在很大程度上也限制了共燒工藝的應(yīng)用[14,15]。

1.2 厚膜法 (Thick film ceramic, TFC)

厚膜法是指采用絲網(wǎng)印刷的方式, 將導(dǎo)電漿料直接涂布在陶瓷基體上, 然后經(jīng)高溫?zé)Y(jié)使金屬層牢固附著于陶瓷基體上的制作工藝。厚膜導(dǎo)體漿料的選擇是決定厚膜工藝的關(guān)鍵因素, 它由功能相 (即金屬粉末, 粒徑在2μm以內(nèi)) 、粘結(jié)相 (粘結(jié)劑) 和有機載體所組成。常見的金屬粉末有Au、Pt、Au/Pt、Au/Pd、Ag、Ag/Pt、Ag/Pd、Cu、Ni、Al及W等金屬, 其中以Ag、Ag/Pd和Cu漿料居多[16]。粘結(jié)劑一般是玻璃料或金屬氧化物或是二者的混合物, 其作用是連結(jié)陶瓷與金屬并決定著厚膜漿料對基體陶瓷的附著力, 是厚膜漿料制作的關(guān)鍵。有機載體的作用主要是分散功能相和粘結(jié)相, 同時使厚膜漿料保持一定的粘度, 為后續(xù)的絲網(wǎng)印刷做準(zhǔn)備, 在燒結(jié)過程中會逐漸揮發(fā)[17]。
目前對于氧化鋁厚膜電子漿料的研究已經(jīng)趨于成熟, 而氮化鋁厚膜電子漿料尚有較大的發(fā)展空間, 這是由多數(shù)金屬對氮化鋁陶瓷的潤濕性不理想所導(dǎo)致的[17]。為改善厚膜制作過程中金屬與氮化鋁陶瓷之間的結(jié)合力, 最常見的方法有兩種, 一是利用玻璃料作為粘結(jié)相使金屬層與AlN層達到機械結(jié)合;二是添加與AlN能夠反應(yīng)的物質(zhì)作為粘結(jié)相, 通過與AlN反應(yīng)達到化學(xué)結(jié)合。目前氮化鋁漿料大部分玻璃粘結(jié)體系的主要成分為SiO2-B2O3, 這是因為硅酸鹽玻璃和硼酸鹽玻璃對金屬及氮化鋁均有很好的潤濕效果。另外, 硼酸鹽玻璃的軟化點較低, 能夠提高燒成速率, 增強燒結(jié)后的密度。但硼酸鹽軟化點低的特性也會使其在未達到金屬化燒結(jié)溫度前就發(fā)生軟化流動, 從而不能使金屬層與氮化鋁陶瓷形成有效的網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu), 硅酸鹽的加入可以有效解決這一問題。同時, 還可以通過向玻璃相中添加適量的堿金屬和堿土金屬以進一步改善玻璃相的性能, 這是因為堿或堿土金屬能夠使玻璃發(fā)生分化, 降低玻璃的粘度。一般隨著堿或堿土金屬添加量的增加, 粘度會顯著降低, 從而有利于提高漿料的流動性, 加速金屬化燒結(jié), 常用的堿或堿土金屬有Li2O、Na2O、K2O、BaO和PdO等[18,19]。此外, 還可以加入一些能夠與氮化鋁反應(yīng)生成新相的物質(zhì), 如Cr2O3、PdO、ZnO等, 利用新相形成的反應(yīng)結(jié)合力提高漿料金屬化后的附著強度。有研究指出, 一些硅和硼的堿土金屬氧化物, 以及鋯、鐵、鉛及磷等的氧化物, 它們能夠與AlN發(fā)生反應(yīng)生成新物質(zhì)[20,21]。例如使用ZrB2粘結(jié)相, 反應(yīng)過程中由于新相Al2O3·B2O3 (硼鋁尖晶石) 的生成, 可使金屬化層與氮化鋁陶瓷結(jié)合力高達24MPa, 反應(yīng)過程中產(chǎn)生的ZrO2還能加速AlN的氧化, 從而促進反應(yīng)的進行。

TFC燒結(jié)后的金屬層厚度一般為10~20μm, 最小線寬為0.1 mm。由于技術(shù)成熟, 工藝簡單, 成本較低, TFC在對圖形精度要求不高的LED封裝中得到一定應(yīng)用。同時, TFC因存在著圖形精準(zhǔn)度低 (誤差為±10%) 、鍍層穩(wěn)定性易受漿料均勻性影響、線面平整度不佳 (3μm以上) 及附著力不易控制等缺點, 使其應(yīng)用范圍受到了一定的限制。

1.3 直接敷銅法 (Direct bonded copper, DBC) 

DBC是在陶瓷表面 (主要是Al2O3和AlN) 鍵合銅箔的一種金屬化方法, 它是隨著板上芯片 (COB) 封裝技術(shù)的興起而發(fā)展出來的一種新型工藝。其基本原理是在Cu與陶瓷之間引進氧元素, 然后在1065~1083℃時形成Cu/O共晶液相, 進而與陶瓷基體及銅箔發(fā)生反應(yīng)生成CuAlO2或Cu(AlO2)2, 并在中間相的作用下實現(xiàn)銅箔與基體的鍵合。因Al N屬于非氧化物陶瓷, 其表面敷銅的關(guān)鍵在于在其表面形成一層Al2O3過渡層, 并在過渡層的作用下實現(xiàn)銅箔與基體陶瓷的有效鍵合[22]。
氧的引入是DBC工藝中一個非常關(guān)鍵的步驟, 氧化時間與氧化溫度是該工藝中兩個最重要的參數(shù), 對鍵合后陶瓷與銅箔之間的結(jié)合力有著非常重要的影響。當(dāng)氧化時間和氧化溫度固定時, 沒經(jīng)預(yù)氧化處理的Al2O3基體在與銅箔敷接的過程中, 因氧難以滲入銅箔與陶瓷基板的界面, Cu/O液相對基板的潤濕性較差, 最后會在界面上殘留大量的空洞和缺陷。而基體經(jīng)預(yù)氧化處理后, 可在敷接的同時給予充足的供氧, 則Cu/O液相對陶瓷基體和銅箔潤濕性良好, 界面空洞及缺陷明顯減少, 銅箔與基體的結(jié)合力也較為牢固。而對于AlN而言, 因AlN是強共價鍵化合物, Cu/O液相對其潤濕性較差, 在其表面利用DBC方式敷銅時則必須通過表面改性的方式來增強Cu/O液相對陶瓷基體的潤濕性以確保銅箔與基體的結(jié)合力。目前一般的做法是利用預(yù)氧化的方式在AlN表面形成一定厚度、分散均勻且結(jié)構(gòu)致密的Al2O3薄膜。因氧化鋁薄膜與氮化鋁基體的熱膨脹系數(shù)不匹配, 室溫條件下兩相界面可能會因內(nèi)應(yīng)力的存在而導(dǎo)致結(jié)合力變差, 所以膜的質(zhì)量是后續(xù)敷接成敗的關(guān)鍵。一般而言, 欲實現(xiàn)二者的有效結(jié)合, 必須在保證氧化膜致密的前提下, 盡可能減小膜的厚度來降低AlN與Al2O3兩相之間的內(nèi)應(yīng)力。井敏等[23]對DBC工藝展開了系統(tǒng)的研究, 利用熔融NaOH粗化陶瓷表面的方法, 獲得了剝離強度為6.5 N/mm以上、熱導(dǎo)率為11.86W/ (m·K) 的DBC陶瓷基板。謝建軍等[24]用DBC技術(shù)制備了Cu/Al2O3、Cu/AlN復(fù)合陶瓷基板材料, 銅箔和AlN陶瓷基板間的結(jié)合強度超過了8.00 N/mm, 銅箔和AlN陶瓷之間存在厚度約為2μm的過渡層, 其成分主要為Al2O3、CuAlO2和Cu2O化合物, 隨著敷接溫度升高, Cu/AlN的界面結(jié)合強度逐漸增大。AKara-Slimane等[25]在真空條件下, 溫度為1000℃、壓強為4~12 MPa時, 利用DBC工藝制得氮化鋁陶瓷基板, 其剝離強度高達32 MPa。
銅箔具有良好的導(dǎo)電及導(dǎo)熱性能, 而氧化鋁不僅具有導(dǎo)熱性能好、絕緣性強、可靠性高等優(yōu)點, 還能有效地控制CuAl2O3-Cu復(fù)合體的膨脹, 使DBC陶瓷基板具有近似氧化鋁的熱膨脹系數(shù), 現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于IGBT、LD和CPV等的封裝散熱管理中。因DBC熱壓鍵合的銅箔一般較厚, 為100~600μm, 具有強大的載流能力, 在IGBT和LD封裝領(lǐng)域優(yōu)勢明顯[26]。
雖然DBC在實際工程運用中存在許多優(yōu)勢, 但同時也存在如下不足: (1) DBC工藝需要在高溫條件下引入氧元素使Cu與Al2O3發(fā)生共晶反應(yīng), 對設(shè)備和工藝控制要求較高, 基板制作成本較高; (2) Al2O3與Cu層之間容易產(chǎn)生微氣孔, 基板抗熱沖擊性能會受影響; (3) DBC表面鍵合銅箔厚度一般在100μm以上, 表面圖形最小線寬一般大于100μm, 不適合精細線路的制作。

1.4 直接敷鋁法 (Direct aluminum bonded, DAB) 

直接敷鋁法是利用鋁在液態(tài)下對陶瓷有著較好的潤濕性以實現(xiàn)二者的敷接。當(dāng)溫度升至660℃以上時, 固態(tài)鋁發(fā)生液化, 當(dāng)液態(tài)鋁潤濕陶瓷表面后, 隨著溫度的降低, 鋁直接在陶瓷表面提供的晶核結(jié)晶生長, 冷卻到室溫實現(xiàn)兩者的結(jié)合。由于鋁較為活潑, 在高溫條件下容易氧化生成Al2O3薄膜而存在于鋁液表面, 大大降低鋁液對陶瓷表面的潤濕性, 使敷接難以實現(xiàn), 因此在敷接前必須將其去除或是在無氧條件下進行敷接。彭榕等[23,27]采取石墨模具壓鑄的方法, 將純凈的鋁液通過壓力鋪在Al2O3基板和AlN基板表面, 而Al2O3膜由于沒有流動性而留在模具空腔里, 冷卻后制得敷接完好的DAB基板。
鑒于鋁液對陶瓷表面的潤濕性是影響DAB成敗的關(guān)鍵, 國內(nèi)外的學(xué)者對潤濕性展開了大量的研究工作。KaraSlimane[25]采用鋁作為中間層敷接Al N/Al/Fe時指出, 敷接過程中必須施加一定的壓力, 以打破液態(tài)鋁表面出現(xiàn)的Al2O3層, 才能實現(xiàn)鋁與氮化鋁和鐵的有效敷接。以上考慮的是物理敷接, 即鋁/陶瓷界面不存在化學(xué)反應(yīng), 這樣鋁和陶瓷之間的結(jié)合強度就取決于兩者之間的粗糙度增大而造成的機械鎖合作用, 與DBC相比其結(jié)合力比較小。但兩者之間的結(jié)合沒有第二相生成, 與DBC相比具有低界面應(yīng)力和高界面熱導(dǎo)的優(yōu)勢。在敷接鋁之前, 對陶瓷進行表面處理以增大敷接強度是非常關(guān)鍵的工藝環(huán)節(jié)。
Imai[28]發(fā)現(xiàn), 陶瓷基板表面粗糙度在很大程度上影響敷接性能, 保持一定的粗糙度是提高敷接強度的必要條件。因此如何處理陶瓷基板以改變其粗糙度是提高鋁/陶瓷之間結(jié)合強度的關(guān)鍵。Lin等[29]對Al2O3/Al/Al2O3的敷接溫度及性能進行了研究, 并在1100℃制備出熱導(dǎo)率達32 W/ (m·K) 的高鍵合強度DAB基板。井敏等[23]通過燒結(jié)Cu2O于Al2O3基板上首先形成一種穩(wěn)定的Cu Al2O4相, 在1 000℃下經(jīng)H2還原使基板表面生成一層銅膜, 最后在真空環(huán)境下用活潑金屬鎂和碳粉保護的方法, 隔絕了氧氣與金屬鋁的接觸, 在760℃以下共晶實現(xiàn)敷接, 制備了敷接強度高達11.9 MPa的Al/Al2O3的DAB陶瓷基板。
DAB陶瓷基板熱穩(wěn)定性良好, 與同結(jié)構(gòu)的DBC相比質(zhì)量可減輕44%, 鋁線鍵合能力佳, 鋁/陶瓷之間的熱應(yīng)力也相對較小, 近年來發(fā)展迅速。Al2O3-DAB基板及AlN-DAB基板具有優(yōu)異的導(dǎo)熱特性、良好的抗熱震疲勞性能、出色的熱穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕和良好的鋁線鍵合能力, 基于DAB基板的電力器件模塊已成功在日本汽車工業(yè)中得到應(yīng)用。目前國內(nèi)外對DAB技術(shù)做了大量的研究工作, 但對鋁/陶瓷界面細節(jié)方面的研究還不夠深入[4]。因?qū)ρ鹾坑袊?yán)格的限制, DAB對設(shè)備和工藝控制要求較高, 基板制作成本較高。且表面鍵合鋁厚度一般在100μm以上, 不適合精細線路的制作, 其推廣和應(yīng)用也因此而受限。

1.5 薄膜法 (Direct plated copper, DPC)

薄膜法是主要采用物理氣相沉積 (真空蒸鍍、磁控濺射等) 等技術(shù)在陶瓷表面形成金屬層, 再采用掩膜、刻蝕等操作形成金屬電路層的工藝過程。其中物理氣相沉積是最常見的薄膜制造工藝[30]。

物理氣相沉積是采用蒸鍍或濺射等方法在陶瓷表面形成一層3~5μm的金屬薄膜作為陶瓷基板的導(dǎo)電層。因金屬銅層與陶瓷層易發(fā)生熱循環(huán)剝離失效, 因此界面鍵合強度成為DPC基板的技術(shù)瓶頸。陶瓷與金屬薄膜的結(jié)合力、金屬薄膜與芯片的焊接性能以及金屬薄膜自身的導(dǎo)電能力是衡量薄膜質(zhì)量的三個重要指標(biāo)。金屬薄膜與氮化鋁的結(jié)合力決定了薄膜工藝陶瓷基板的實用性與可靠性, 而結(jié)合力則受到范德華力、化學(xué)鍵力、擴散附著、機械鎖合、靜電引力及薄膜自身內(nèi)應(yīng)力的綜合影響, 其中以擴散附著和化學(xué)鍵力為主要因素。因此需要選擇Al、Cr、Ti、Ni、Cu等活性較高、擴散性能好的金屬作為過渡層。導(dǎo)電層承擔(dān)著電氣連接及焊接的功能, 因此需要選擇Au、Cu、Ag等電阻率低、耐高溫、化學(xué)性能穩(wěn)定且擴散系數(shù)小的金屬材料[31]。張學(xué)斌[32]對DPC陶瓷基板制備工藝進行了研究, 結(jié)果表明通過采用W/Ti合金作過渡層能提高鍵合強度, 當(dāng)過渡層厚度為200 nm時, 制備的薄膜Al2O3陶瓷基板的結(jié)合力強度大于97.2 N。另外, 除利用物理氣相沉積制備薄膜外, 還有學(xué)者利用化學(xué)鍍的方法在陶瓷表面獲得了銅薄膜。重慶大學(xué)薛生杰等[13]利用化學(xué)鍍的方法, 通過優(yōu)化各類工藝參數(shù), 制備了結(jié)合力為18.45 N、電導(dǎo)率為2.65×10^6 S/m、沉積速率為0.026 g/ (s·cm2) 、熱導(dǎo)率為147.29 W/ (m·K) 的Al N薄膜陶瓷基板。
與其他陶瓷表面金屬化方法相比, DPC工藝操作溫度低, 一般在300℃以下, 降低了制造工藝成本, 同時有效避免了高溫對材料的不利影響。DPC基板利用黃光微影技術(shù)制作圖形電路, 線寬可控制在20~30μm, 表面平整度可達3μm以下, 圖形精度誤差可控制在±1%之內(nèi), 非常適合對電路精度要求較高的電子器件封裝。特別是在利用激光對DPC基板切孔與通孔填銅后, 可實現(xiàn)陶瓷基板上下表面的互聯(lián), 從而滿足電子器件的三維封裝要求。DPC不僅降低了封裝體積, 還能有效提高封裝集成度。DPC陶瓷基板雖具有上述諸多優(yōu)點, 但是也存在著諸如電鍍沉積銅層厚度有限, 且電鍍廢液污染大、金屬層與陶瓷間的結(jié)合強度較低, 產(chǎn)品應(yīng)用時可靠性較低等不足。

2 陶瓷基板的性能對比和發(fā)展趨勢

2.1 陶瓷基板性能對比

功率型電子封裝散熱基板除了電氣連接與散熱功能之外, 還需要同時具備一定的絕緣、耐熱、耐壓能力與熱匹配性能。因陶瓷基板具有優(yōu)異的導(dǎo)熱與絕緣性能, 在功率型電子元器件的封裝應(yīng)用中優(yōu)勢凸顯, 是日后功率型電子封裝散熱基板的主要發(fā)展方向之一[33]。LTCC、HTCC、TFC、DBC、DBA、DPC工藝陶瓷基板的主要特征如表1所示。

表1 各類陶瓷基板的主要特征及性能對比

到目前為止, Cree、Osram、Philips及Nichia等國際頂尖制造商及國內(nèi)江西晶瑞、易美芯光、虎成科技、佛山國星、深圳瑞豐、廣州鴻利、寧波升譜等企業(yè)相繼推出了陶瓷封裝的功率型電子產(chǎn)品。目前因受制于技術(shù)能力, 陶瓷基板的制造成本仍然較高。但可以預(yù)測的是, 隨著技術(shù)瓶頸的不斷突破及封裝集成度的不斷提高, 陶瓷基板的市場接受度將會日益提高, 利用陶瓷作為封裝基板的功率型電子產(chǎn)品也會日益豐富。

2.2 陶瓷基板發(fā)展趨勢

陶瓷基板具有低的熱膨脹系數(shù)、良好的導(dǎo)熱性能及絕緣性能, 已經(jīng)成為業(yè)界公認(rèn)的最具發(fā)展?jié)摿Φ纳峄宀牧? 在某些場合正逐步取代金屬基板, 成為高功率電子元器件散熱首選的熱管理方案[34]。
如前所述, 目前應(yīng)用于大功率電子元器件封裝的陶瓷基板制造技術(shù)共有HTCC、LTCC、TFC、DBC、DAB、DPC六種, 其中HTCC工藝中金屬粉末主要是鎢、鉬、錳等熔點較高但導(dǎo)電性較差的金屬, 其制作成本較高, 故一般較少采用。LTCC工藝因在漿料中加入了導(dǎo)熱率低的玻璃材料, 其導(dǎo)熱率僅為2~3 W/ (m·K) , 與普通的MCPCB相比優(yōu)勢并不明顯。與此同時, HTCC與LTCC的線路圖形因采用厚膜 (TFC) 技術(shù)制作, 存在線路表面粗糙、對位不精準(zhǔn)的缺點。此外, 在燒結(jié)過程中還存在陶瓷生坯收縮不一致的問題, 這使得共燒陶瓷的工藝解析度受到了一定的限制, 推廣應(yīng)用也面臨著極大的挑戰(zhàn)。
DBC工藝中因液相銅對陶瓷表面的潤濕性較差, 需要在高溫條件下引入氧元素實現(xiàn)銅箔與基體陶瓷的敷接, 且在交界面上容易產(chǎn)生微氣孔, 對設(shè)備和技術(shù)要求較高, 仍然是國內(nèi)外科研工作者研究的重點。DAB工藝中鋁在高溫下容易氧化, 會影響到液態(tài)鋁液對陶瓷表面的潤濕性, 敷接需要在無氧條件下進行, 因此對設(shè)備和技術(shù)的要求同樣較為苛刻, 目前并沒有實現(xiàn)大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化。目前, 西方發(fā)達國家、日本、韓國擁有DBC與DAB的技術(shù)和市場優(yōu)勢。我國部分科研機構(gòu)也對DBC與DAB開展了一些研究工作并取得了一定的技術(shù)突破, 但與國際先進水平相比仍有一定的差距, 產(chǎn)品主要應(yīng)用于IGBT (絕緣柵雙極二極管) 和LD (激光二極管) 等功率器件封裝。因DBC與DAB導(dǎo)電層較厚, 兩種基板應(yīng)用于LED封裝的優(yōu)勢并不明顯。
DPC工藝通過在陶瓷表面引入過渡層金屬解決了銅箔對陶瓷表面潤濕性不佳的難題, 在保證導(dǎo)電層與陶瓷基體之間結(jié)合力的前提下, 成功實現(xiàn)了陶瓷表面金屬化。DPC陶瓷基板不僅具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能, 而且線路精準(zhǔn)度與表面平整度較高, 非常適合LED覆晶與共晶工藝的LED封裝, 并在生產(chǎn)規(guī)模方面已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化, 是目前最能滿足LED朝大功率、高光密與小尺寸方向發(fā)展需求的陶瓷封裝散熱基板。目前我國臺灣地區(qū)對DPC核心技術(shù)持壟斷地位, 全球產(chǎn)品市場占有率占80%, 是半導(dǎo)體照明行業(yè)巨頭如美國Cree、Lumileds和德國Osram等企業(yè)陶瓷散熱基板的主要供應(yīng)方。如今隨著研發(fā)力度的不斷加大, 大陸地區(qū)DPC基板技術(shù)也已經(jīng)取得了突破, 在一定程度上也能滿足大功率LED封裝對散熱的需求。
在制造工藝技術(shù)瓶頸不斷突破的背景下, 陶瓷基板脆性大是不爭的事實, 如何利用其優(yōu)異的導(dǎo)熱性能為快速發(fā)展的LED產(chǎn)業(yè)提供散熱管理方案, 并避免在生產(chǎn)與使用過程中因脆性過大而龜裂也是不容忽視的現(xiàn)實難題。樂健科技 (珠海) 有限公司利用激光切割或砂輪切割將大塊陶瓷切割成若干小塊, 并將其選擇性地植入到FR4結(jié)構(gòu)中, 利用壓合的工藝將陶瓷與FR4結(jié)合在一起形成復(fù)合散熱結(jié)構(gòu)。其中, 陶瓷充當(dāng)芯片的散熱通道, 使電子元器件在工作過程所產(chǎn)生的熱量能夠沿著陶瓷迅速向外界擴散, 避免散熱不良導(dǎo)致元器件可靠性降低, 從而造成過早失效的風(fēng)險, 如圖1及圖2所示。這種設(shè)計不僅保留了陶瓷的散熱功能, 而且解決了陶瓷易碎的難題。同時, 可以在FR4上實現(xiàn)機械加工, 極大地降低了純陶瓷切割時的高昂成本。目前, 該類復(fù)合基板材料已經(jīng)在大功率LED和IGBT等領(lǐng)域得到了一定規(guī)模的應(yīng)用。

圖1 微散熱器高導(dǎo)熱陶瓷基板結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 微散熱器高導(dǎo)熱陶瓷結(jié)構(gòu)示意圖

散熱是功率型電子元器件發(fā)展過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題。鑒于大功率、小尺寸、輕型化已經(jīng)成為未來功率型電子元器件封裝的發(fā)展趨勢, 陶瓷基板除了具有優(yōu)異的導(dǎo)熱特性之外, 還具備較好的絕緣、耐熱、耐壓能力及與芯片良好的熱匹配性能, 已成為中、高端功率型電子元器件封裝散熱之首選。陶瓷基板表面金屬化工藝是實現(xiàn)陶瓷在功率型電子元器件封裝中使用的重要環(huán)節(jié), 金屬化方法決定了陶瓷基板的性能、制造成本、產(chǎn)品良率與使用范圍。

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