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DPC陶瓷基板及其關(guān)鍵技術(shù)

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。

1. 陶瓷基板材料
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(lái)越廣泛。陶瓷基板材料主要有Al2O3、BeO、AlN、Si3N4、SiC等。

1.1 氧化鋁
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)用為廣泛的陶瓷基板材料。但是Al2O3陶瓷的熱導(dǎo)率相對(duì)較低（24 W/(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。

1.2 氧化鈹
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。

1.3 碳化硅
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)成本較高。

1.4 氮化硅
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。

1.5 氮化鋁
AlN陶瓷作為一種新型的封裝基板材料，具有熱導(dǎo)率高（其理論熱導(dǎo)率可達(dá)320 W/(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(wú)毒環(huán)保等優(yōu)良性能，是被國(guó)內(nèi)外一致看好發(fā)展前景的一種陶瓷材料。

2.什么是DPC陶瓷基板
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，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。

3. DPC基板的優(yōu)點(diǎn)與不足

3.1 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。

3.2 不足

（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。

4. DPC基板的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 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(guò)渡層，從而提高界面結(jié)合強(qiáng)度。由于過(guò)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(guò)渡層(同時(shí)作為電鍍種子層)。

4.2 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。

5. DPC基板的應(yīng)用

5.1. IGBT封裝
絕緣柵雙極晶體管以輸入阻抗高、開(kāi)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(chē)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)。

5.2 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封裝的熱沉材料。

5.3 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(lái)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。

5.4 光伏(PV)模組封裝

光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏應(yīng)原理，利用太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)光直接轉(zhuǎn)化為電能。由于聚焦作用導(dǎo)致太陽(yáng)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(guò)熱界面材料(TIM)分別與芯片和熱沉連接，熱量通過(guò)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。