中國粉體網(wǎng)訊  常用的基板材料主要包括塑料基板、金屬基板、陶瓷基板和復合基板四大類。陶瓷基板良好的導熱性、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)封裝中的應用越來越廣泛。

電鍍陶瓷基板制備工藝包括采用半導體微加工技術(shù)、激光打孔與電鍍填孔技術(shù)、電鍍生長控制線并研磨、低溫制備工藝等的優(yōu)點和缺點及適用需求。金屬線路層與陶瓷基片的結(jié)合強度和電鍍填孔是陶瓷基板可靠性的關(guān)鍵以及陶瓷基板制備的關(guān)鍵技術(shù)。

電鍍陶瓷基板的制備及特點

從結(jié)構(gòu)與制作工藝而言，陶瓷基板又可分為HTCC、LTCC、TFC、DBC、DPC等。電鍍陶瓷基板(DPC)是在陶瓷基片上采用薄膜工藝制作完成的，其化學性質(zhì)穩(wěn)定、熱導率高、線路精細、熱膨脹系數(shù)(CTE)與芯片材料相匹配，因此成為大功率LED封裝散熱基板的重要發(fā)展方向。

DPC陶瓷基板制備工藝如圖1所示。首先利用激光在陶瓷基片上制備通孔（孔徑一般為60-120μm），隨后利用超聲波清洗陶瓷基片；采用磁控濺射技術(shù)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1  DPC陶瓷基板制備工藝流程

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

具體特點包括：1）采用半導體微加工技術(shù)，陶瓷基板上金屬線路更加精細，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(shù)，實現(xiàn)了陶瓷基板上/下表面垂直互聯(lián)，可實現(xiàn)電子器件三維封裝與集成，降低器件體積，如圖2所示；3）采用電鍍生長控制線路層厚度（一般為10-100μm），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(chǎn)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。但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(huán)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10-100μm），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(chǎn)廠家主要集中在我國臺灣地區(qū)，但從2015年開始大陸地區(qū)已開始實現(xiàn)量產(chǎn)。

圖2  (a) DPC陶瓷基板產(chǎn)品及其 (b) 截面圖

電鍍陶瓷基板制備的關(guān)鍵

金屬線路層與陶瓷基片的結(jié)合強度是影響DPC陶瓷基板可靠性的關(guān)鍵。由于金屬與陶瓷間熱膨脹系數(shù)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(jié)合強度。由于過渡層與陶瓷間的結(jié)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）。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(jié)合強度，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(chǎn)生懸掛鍵，與金屬原子結(jié)合更緊密。

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)勢包括：1）易于填充通孔，降低孔內(nèi)鍍層缺陷；2）表面鍍層結(jié)構(gòu)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。由于脈沖電鍍成本高，因此近年來新型直流電鍍又重新得到重視，通過優(yōu)化電鍍液配方（包括整平劑、抑制劑等），實現(xiàn)盲孔或通孔高效填充。

陶瓷基板應用及分析

01 IGBT 封裝

絕緣柵雙極晶體管以輸入阻抗高、開關(guān)速度快、通態(tài)電壓低、阻斷電壓高等特點，成為當今功率半導體器件發(fā)展主流。其應用小到變頻空調(diào)、靜音冰箱、洗衣機、電磁爐、微波爐等家用電器，大到電力機車牽引系統(tǒng)等。由于IGBT輸出功率高，發(fā)熱量大，因此對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)合強度高(熱沖擊性好)等特點。

02 LD 封裝

激光二極管(LD)又稱半導體激光器，是一種基于半導體材料受激輻射原理的光電器件，具有體積小、壽命長、易于泵浦和集成等特點。廣泛應用于激光通信、光存儲、光陀螺、激光打印、測距以及雷達等領域。溫度與半導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LD封裝的首選熱沉材料。

03 LED封裝

縱觀LED技術(shù)發(fā)展，功率密度不斷提高，對散熱的要求也越來越高。由于陶瓷具有的高絕緣、高導熱和耐熱、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。

04 光伏(PV)模組封裝

光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應原理，利用太陽能電池將太陽光直接轉(zhuǎn)化為電能。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。實際應用中，陶瓷基板表面的金屬層通過熱界面材料(TIM)分別與芯片和熱沉連接，熱量通過陶瓷基板快速傳導到金屬熱沉上，有效提高了系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換效率與可靠性。

想要了解更多關(guān)于電鍍陶瓷基板的詳細內(nèi)容，敬請期待中國粉體網(wǎng)將于2020年10月29-30日在無錫舉辦的“2020第三屆新型陶瓷技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇“。屆時，華中科技大學教授、武漢利之達科技創(chuàng)始人陳明祥將帶來題為《電鍍陶瓷基板（DPC）技術(shù)研發(fā)與應用》的報告，為您答疑解惑。

專家介紹

陳明祥：華中科技大學機械學院教授/博士生導師，武漢光電國家研究中心研究員，廣東省珠江學者講座教授。本科和碩士畢業(yè)于武漢理工大學材料學院，博士畢業(yè)于華中科技大學光電學院，美國佐治亞理工學院封裝研究中心博士后。主要從事先進電子封裝與微納制造技術(shù)研究，包括功率器件封裝（如LED、LD、IGBT、CPV等）、低溫鍵合、系統(tǒng)集成技術(shù)等；主持科研項目包括國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、科技部“863計劃”與支撐計劃項目、總裝預研基金重點項目、廣東省產(chǎn)學研合作重點項目、湖北省科技創(chuàng)新重點項目、武漢市科技成果轉(zhuǎn)化重大項目等；已發(fā)表學術(shù)論文60余篇（其中SCI檢索40余篇），獲授權(quán)發(fā)明專利20余項（其中DPC陶瓷基板技術(shù)已通過專利轉(zhuǎn)讓實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化）。曾獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎（2016）、教育部技術(shù)發(fā)明一等獎（2015）、武漢東湖高新區(qū)“3551光谷人才”（2012）、廣東省科學技術(shù)三等獎（2010）等。

參考文獻：

秦典成.陶瓷基板表面金屬化研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

陳明祥.功率電子封裝用陶瓷基板技術(shù)與應用進展

陳明祥.電子封裝陶瓷基板