熱管理材料系列：常見陶瓷基板PCB板介紹

熱設計網 2020-11-21

陶瓷基板是指銅箔在高溫下直接鍵合到氧化鋁(Al2O3)或氮化鋁(AlN)陶瓷基片表面( 單面或雙面)上的特殊工藝板。所制成的超薄復合基板具有優良電絕緣性能，高導熱特性，優異的軟釬焊性和高的附著強度，并可像PCB板一樣能刻蝕出各種圖形，具有很大的載流能力。因此，陶瓷基板已成為大功率電力電子電路結構技術和互連技術的基礎材料。

陶瓷基板產品的問世，開啟了散熱應用行業的新發展，由于陶瓷基板散熱特色，加上陶瓷基板具有高散熱、低熱阻、壽命長、耐電壓等優點，隨著生產技術、設備的改良，產品價格加速合理化，進而擴大了LED產業的應用領域，如家電產品的指示燈、汽車車燈、路燈及戶外大型看板等。陶瓷基板的開發成功，為室內照明和戶外亮化產品提供了更佳的服務，使LED產業未來的市場領域更為寬廣。

特點

①機械應力強，形狀穩定；高強度、高導熱率、高絕緣性；結合力強，防腐蝕。
②較好的熱循環性能，循環次數達5萬次，可靠性高。
③與PCB板(或IMS基片)一樣可刻蝕出各種圖形的結構；無污染、無公害。
④使用溫度寬-55℃～850℃；熱膨脹系數接近硅，簡化功率模塊的生產工藝。

一、按材料來分

1、氧化鋁(Al2O3)

氧化鋁基板是電子工業中最常用的基板材料，因為在機械、熱、電性能上相對于大多數其他氧化物陶瓷，強度及化學穩定性高，且原料來源豐富，適用于各種各樣的技術制造以及不同的形狀。斯利通氧化鋁基板已經可以進行三維定制。

2、氧化鈹(BeO)

具有比金屬鋁還高的熱導率，應用于需要高熱導的場合，但溫度超過300℃后迅速降低，最重要的是由于其毒性限制了自身的發展。

氧化鈹陶瓷是以氧化鈹為主要成分的陶瓷。主要用作大規模集成電路基板，大功率氣體激光管，晶體管的散熱片外殼，微波輸出窗和中子減速劑等材料。

純氧化鈹(BeO)屬立方晶系，其密度3.03g/cm3。熔點2570℃，具有很高的導熱性，幾乎與紫銅純鋁相等，導熱系數λ為200-250W/(m.K)，還有很好的抗熱震性。其介電常數6～7（0.1MHz)。介質損耗角正切值約為4×10-4(0.1GHz)。最大缺點是粉末有劇毒性，且使接觸傷口難于愈合。以氧化鈹粉末為原料加入氧化鋁等配料經高溫燒結而成。制造這種陶瓷需要良好的防護措施。氧化鈹在含有水氣的高溫介質中，揮發性會提高，1000℃開始揮發，并隨溫度升高揮發量增大，這就給生產帶來困難，有些國家已不生產。但制品性能優異，雖價格較高，仍有相當大的需求量。

3 、氮化鋁(AlN)

AlN有兩個非常重要的性能值得注意：一個是高的熱導率，一個是與Si相匹配的膨脹系數。缺點是即使在表面有非常薄的氧化層也會對熱導率產生影響，只有對材料和工藝進行嚴格控制才能制造出一致性較好的AlN基板。AlN生產技術國內像斯利通這樣能大規模生產的少之又少，相對于Al2O3，AlN價格相對偏高許多，這個也是制約其發展的小瓶頸。不過隨著經濟的提升，技術的升級，這種瓶頸終會消失。

綜合以上原因，可以知道，氧化鋁陶瓷由于比較優越的綜合性能，在微電子、功率電子、混合微電子、功率模塊等領域還是處于主導地位而被大量運用。

AlN最高可穩定到2200℃。室溫強度高，且強度隨溫度的升高下降較慢。導熱性好，熱膨脹系數小，是良好的耐熱沖擊材料。抗熔融金屬侵蝕的能力強，是熔鑄純鐵、鋁或鋁合金理想的坩堝材料。氮化鋁還是電絕緣體，介電性能良好，用作電器元件也很有希望。砷化鎵表面的氮化鋁涂層，能保護它在退火時免受離子的注入。氮化鋁還是由六方氮化硼轉變為立方氮化硼的催化劑。室溫下與水緩慢反應.可由鋁粉在氨或氮氣氛中800~1000℃合成，產物為白色到灰藍色粉末。或由Al2O3-C-N2體系在1600~1750℃反應合成，產物為灰白色粉末。或氯化鋁與氨經氣相反應制得.涂層可由AlCl3-NH3體系通過氣相沉積法合成。

4.氮化硅 (Si3N4)

羅杰斯公司于2012年推出了新款 curamik?系列氮化硅 (Si3N4) 陶瓷基板。由于氮化硅的機械強度比其它陶瓷高，所以新款curamik? 基板能夠幫助設計者在嚴苛的工作環境以及 HEV/EV 和其它可再生能源應用條件下實現至關重要的長壽命。

采用氮化硅制成的新款陶瓷基板的撓曲強度比采用 Al2O3和 AlN 制成的基板高。

Si3N4的斷裂韌性甚至超過了氧化鋯摻雜陶瓷。

時至今日，功率模塊內使用的覆銅陶瓷基板的可靠性一直受制于陶瓷較低的撓曲強度，而后者會降低熱循環能力。對于那些整合了極端熱和機械應力的應用（例如混合動力汽車和電動汽車 (HEV/EV) 而言，目前常用的陶瓷基板不是最佳選擇。基板（陶瓷）和導體（銅）的熱膨脹系數存在很大差異，會在熱循環期間對鍵合區產生壓力，進而降低可靠性。在今年的 PCIM 展上羅杰斯公司推出的該款 curamik? 系列氮化硅 (Si3N4) 陶瓷基板，將使電力電子模塊的壽命延長10倍之多。

隨著 HEV/EV 和可再生能源應用的增長，設計者找到了新方法來確保這些推動極具挑戰性的新技術發展所需的電子元件的可靠性。由于工作壽命比電力電子使用的其它陶瓷長10倍或者更高，所以氮化硅基板能夠提供對于達到必要的可靠性要求至關重要的機械強度。陶瓷基板的壽命是由在不出現剝離和其它影響電路功能與安全的故障的情況下，基板可以承受的熱循環重復次數來衡量的。該測試通常是通過從 -55°C 到 125°C 或者 150°C 對樣品進行循環運行來完成的。

curamik? 產品市場經理 Manfred Goetz 說：“我們目前的測試結果（-55°C至150°C）表明，curamik? 氮化硅基板的使用壽命比汽車市場，特別是 HEV/EV，通常使用的基板長十倍以上。同樣使用氮化硅基板也令整個模塊的壽命大大提升。”

使用壽命的延長對于所有將大型半導體晶片直接鍵合到基板上的功率模塊應用而言都至關重要，并且對結溫較高（高達250°C）的 SiC 和 GaN 晶片尤為重要。curamik? 氮化硅基板的熱導率為 90 W/mK，超過了市面上其它基板的平均值。

新款基板的機械強度使我們能夠利用更薄的陶瓷層，從而降低了熱阻，提高了功率密度，削減了系統成本。

與Al2O3 和 AlN 基板相比，其撓曲強度改善了很多, 設計師們將因此而受益。氮化硅的斷裂韌性甚至超過了氧化鋯摻雜陶瓷，在 90 W/mK 的熱導率下達到了6.5~7 MPa/√m。

二、按制造工藝來分

現階段較普遍的陶瓷散熱基板種類共有HTCC、LTCC、DBC、DPC、LAM五種，其中LAM屬于斯利通與華中科技大學國家光電實驗室合作的專利技術，HTCC\LTCC都屬于燒結工藝，成本都會較高。

而DBC與DPC則為國內近年來才開發成熟，且能量產化的專業技術，DBC是利用高溫加熱將Al2O3與Cu板結合，其技術瓶頸在于不易解決Al2O3與Cu板間微氣孔產生之問題，這使得該產品的量產能量與良率受到較大的挑戰，而DPC技術則是利用直接鍍銅技術，將Cu沉積于Al2O3基板之上，其工藝結合材料與薄膜工藝技術，其產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整合能力要求較高，這使得跨入DPC產業并能穩定生產的技術門檻相對較高。LAM技術又稱作激光快速活化金屬化技術。

1、HTCC (High-Temperature Co-fired Ceramic)

HTCC又稱為高溫共燒多層陶瓷，生產制造過程與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，因此，HTCC的必須再高溫1300~1600℃環境下干燥硬化成生胚，接著同樣鉆上導通孔，以網版印刷技術填孔與印制線路，因其共燒溫度較高，使得金屬導體材料的選擇受限，其主要的材料為熔點較高但導電性卻較差的鎢、鉬、錳…等金屬，最后再疊層燒結成型。

2、 LTCC (Low-Temperature Co-fired Ceramic)
LTCC 又稱為低溫共燒多層陶瓷基板，此技術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，然后依各層的設計鉆導通孔，作為各層訊號的傳遞，LTCC內部線路則運用網版印刷技術，分別于生胚上做填孔及印制線路，內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℃的燒結爐中燒結成型，即可完成。

3、 DBC (Direct Bonded Copper)
直接敷銅技術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，銅與氧形成Cu-O共晶液， DBC技術利用該共晶液一方面與陶瓷基板發生化學反應生成 CuAlO2或CuAl2O4相，另一方面浸潤銅箔實現陶瓷基板與銅板的結合。

優越性

①陶瓷基板的熱膨脹系數接近硅芯片，可節省過渡層Mo片，省工、節材、降低成本；

②減少焊層，降低熱阻，減少空洞，提高成品率；

③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%；

④優良的導熱性，使芯片的封裝非常緊湊，從而使功率密度大大提高，改善系統和裝置的可靠性；

⑤超薄型(0.25mm)陶瓷基板可替代BeO，無環保毒性問題；

⑥載流量大，100A電流連續通過1mm寬0.3mm厚銅體，溫升約17℃；100A電流連續通過2mm寬0.3mm厚銅體，溫升僅5℃左右；

⑦熱阻低，10×10mm陶瓷基板的熱阻0.63mm厚度陶瓷基片的熱阻為0.31K/W ，0.38mm厚度陶瓷基片的熱阻為0.19K/W，0.25mm厚度陶瓷基片的熱阻為0.14K/W。

⑧絕緣耐壓高，保障人身安全和設備的防護能力。

⑨可以實現新的封裝和組裝方法，使產品高度集成，體積縮小。

性能要求

（1）機械性質
有足夠高的機械強度，除搭載元件外，也能作為支持構件使用；加工性好，尺寸精度高；容易實現多層化；

表面光滑，無翹曲、彎曲、微裂紋等。

（2）電學性質
絕緣電阻及絕緣破壞電壓高；
介電常數低；
介電損耗小；
在溫度高、濕度大的條件下性能穩定，確保可靠性。

（3）熱學性質
熱導率高；
熱膨脹系數與相關材料匹配（特別是與Si的熱膨脹系數要匹配）；
耐熱性優良。

（4）其它性質
化學穩定性好；容易金屬化，電路圖形與其附著力強；
無吸濕性；耐油、耐化學藥品；a射線放出量小；
所采用的物質無公害、無毒性；在使用溫度范圍內晶體結構不變化；
原材料豐富；技術成熟；制造容易；價格低。

用途
①大功率電力半導體模塊；半導體致冷器、電子加熱器；射頻功率控制電路，功率混合電路。
②智能功率組件；高頻開關電源，固態繼電器。
③汽車電子，航天航空及軍用電子組件。
④太陽能電池板組件；電訊專用交換機，接收系統；激光等工業電子。

趨勢
陶瓷基板產品問世，開啟散熱應用行業的發展，由于陶瓷基板散熱特色，加上陶瓷基板具有高散熱、低熱阻、壽命長、耐電壓等優點，隨著生產技術、設備的改良，產品價格加速合理化，進而擴大LED產業的應用領域，如家電產品的指示燈、汽車車燈、路燈及戶外大型看板等。陶瓷基板的開發成功，更將成為室內照明和戶外亮化產品提供服務，使LED產業未來的市場領域更寬廣。

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