中國粉體網(wǎng)訊 隨著半導(dǎo)體照明技術(shù)的發(fā)展，大功率、小尺寸LED器件的散熱要求越來越高。相對于金屬材料，陶瓷材料有較多的技術(shù)優(yōu)勢：耐腐蝕性好、機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性能強(qiáng)、加工工藝簡單、封裝可靠性高等，因此成為新一代LED封裝散熱基板材料的重要選擇。
（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
陶瓷基板材料
陶瓷基板材料主要有Al2O3、BeO、AlN、Si3N4、SiC等。
（1）Al2O3陶瓷基板
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)用最為廣泛的陶瓷基板材料。但是Al2O3陶瓷的熱導(dǎo)率較低（24W/(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。
（2）BeO陶瓷基板
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。此外，BeO有劇毒，已逐漸淡出封裝應(yīng)用領(lǐng)域。
（3）SiC陶瓷基板
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)成本高。
（4）Si3N4陶瓷基板
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。
（5）AlN陶瓷基板
AlN陶瓷作為一種新型的LED封裝基板材料，具有熱導(dǎo)率高（其理論熱導(dǎo)率可達(dá)320W/(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，而且無毒環(huán)保等優(yōu)良性能，是被國內(nèi)外一致看好最具發(fā)展前景的一種陶瓷材料。
DPC技術(shù)機(jī)理
應(yīng)用比較廣泛的LED陶瓷基板主要有四類：厚膜燒結(jié)陶瓷基板(TFC)、多層共燒陶瓷基板、直接鍵合陶瓷基板(DBC)及直接電鍍陶瓷基板(DPC)。今天我們來了解一下直接電鍍陶瓷基板(DPC)。
直接電鍍陶瓷基板(DirectPlatedCopper，DPC)，采用磁控濺射沉積一層種子層，然后通過光刻、顯影等工藝完成線路制備，接著利用電鍍增厚線路層達(dá)到所需厚度，最后去除光刻膠完成整個(gè)工藝流程。相對于DBC高溫工藝，DPC制備工藝控制在300℃以下，避免高溫對材料性能的影響，并且可以較精確的控制銅層厚度，因此DPC線路精度高于DBC，可以到達(dá)50μm以下。另外通過激光打孔可以實(shí)現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)的電互連，減小封裝尺寸。
DPC陶瓷基板制備工藝
DPC陶瓷基板導(dǎo)熱性能優(yōu)良，線路對準(zhǔn)精度高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，適用于大功率LED封裝工藝。整個(gè)工藝流程下圖所示：
DPC基板制作工藝流程圖
首先完成陶瓷基板的通孔制作，通常采用激光技術(shù)快速打孔，目的是實(shí)現(xiàn)基板垂直方向的電互連；磁控濺射一層種子層，一般采用鈦和銅作為種子層材料，鈦?zhàn)鳛檎掣綄涌梢蕴岣叻N子層與陶瓷基體的結(jié)合強(qiáng)度；黃光環(huán)境下，在種子層表面涂覆一層干膜，曝光、顯影獲得所需的線路，干膜工藝的優(yōu)勢在于省掉了勻膠過程，簡化工藝，并且易于實(shí)現(xiàn)多層疊加，制作厚度達(dá)幾百微米的線路結(jié)構(gòu)，即使利用單層干膜，線路厚度也可以到達(dá)50μm左右，因此線路增厚時(shí)可以獲得效果良好的垂直側(cè)壁結(jié)構(gòu)。
然后電鍍增厚線路，提高線路的導(dǎo)電性和耐電流沖擊性；鎳金工藝，銅層增厚完成后，在銅層表面完成鎳金層，可以采用化學(xué)鎳金工藝，或者電鍍鎳、濺射金層完成鎳金層，鎳作為阻擋層，防止活潑的銅原子漂移到金層中，影響金層性能，金層作為保護(hù)層和焊接層，一方面可以保護(hù)銅層不被氧化，另一方面金的焊接性能非常好，易于保證金線鍵合的強(qiáng)度；去除干膜，再用干膜或其他光刻膠做一層線路保護(hù)層，刻蝕掉多余的種子層，去膠完成整個(gè)DPC陶瓷基板的制備。
DPC的優(yōu)點(diǎn)與不足
優(yōu)點(diǎn)：
（1）低溫工藝（300℃以下），完全避免了高溫對材料或線路結(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20~30m，表面平整度低于0.3m，線路對準(zhǔn)精度誤差小于±1%），因此DPC基板非常適合對準(zhǔn)精度要求較高的電子器件封裝。特別是采用激光打孔與通孔填銅技術(shù)后（實(shí)現(xiàn)陶瓷基板上下表面互聯(lián)），可實(shí)現(xiàn)電子器件三維封裝，降低器件體積，提高封裝集成度。
缺點(diǎn)：
（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。
綜上，將DPC技術(shù)應(yīng)用于制備AlN陶瓷基板，能夠充分發(fā)揮AlN陶瓷優(yōu)異的物理性能。同時(shí)，它制備工藝溫度較低，完全避免了高溫對于材料所造成的破壞或尺寸變異等現(xiàn)象，也減小了基板的制備成本。AlN-DPC陶瓷基板相較于其它幾種基板，更容易滿足高密度封裝的條件。
為促進(jìn)氮化鋁陶瓷基板產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，中國粉體網(wǎng)旗下粉體公開課平臺將于2021年2月2日舉辦首屆“2021氮化鋁陶瓷粉體及基板技術(shù)網(wǎng)絡(luò)研討會”。為企業(yè)管理、技術(shù)人員提供一個(gè)深度交流、深入思考、磨煉內(nèi)功、強(qiáng)化自身的平臺。來自華中科技大學(xué)的陳明祥教授將走進(jìn)粉體公開課的直播間，給大家?guī)眍}為《氮化鋁陶瓷電路板技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化》的報(bào)告。屆時(shí)，陳明祥教授將重點(diǎn)介紹氮化鋁陶瓷電路板（AlN-DPC）技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化及其在第三代半導(dǎo)體、高溫電子器件、高頻晶振、小型熱電制冷器等領(lǐng)域的應(yīng)用，并將對相關(guān)技術(shù)發(fā)展進(jìn)行展望。
專家介紹：
陳明祥，華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師、武漢光電國家研究中心研究員、廣東省珠江學(xué)者講座教授、武漢利之達(dá)科技創(chuàng)始人。本科和碩士畢業(yè)于武漢理工大學(xué)材料學(xué)院，博士畢業(yè)于華中科技大學(xué)光電學(xué)院，美國佐治亞理工學(xué)院封裝研究中心博士后。主要從事先進(jìn)電子封裝技術(shù)研發(fā)，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(xiàng)目包括國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、科技部“863計(jì)劃”與支撐計(jì)劃項(xiàng)目、總裝預(yù)研基金重點(diǎn)項(xiàng)目、廣東省產(chǎn)學(xué)研合作重點(diǎn)項(xiàng)目、湖北省科技創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目、武漢市科技成果轉(zhuǎn)化重大項(xiàng)目等；已發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇（其中SCI檢索50余篇），獲授權(quán)發(fā)明專利20余項(xiàng)（其中DPC陶瓷基板技術(shù)已通過專利轉(zhuǎn)讓實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化）。曾獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)（2016）、教育部技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)（2015）、廣東省科學(xué)技術(shù)三等獎(jiǎng)（2010）等。
參考來源：
[1]程浩，陳明祥等.電子封裝陶瓷基板
[2]程浩，陳明祥等.功率電子封裝用陶瓷基板技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)展
[3]吳朝暉，陳明祥等.大功率LED封裝基板技術(shù)與發(fā)展現(xiàn)狀
[4]張學(xué)斌.鍍銅陶瓷基板制備與LED封裝應(yīng)用研究
[5]郝自亮.應(yīng)用化學(xué)鍍的DPC陶瓷基板制備技術(shù)研究
[6]王文君等.大功率LED封裝基板研究進(jìn)展
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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