中國粉體網(wǎng)訊 氮化鋁陶瓷是重要的散熱基板材料，但是氮化鋁陶瓷基板本身并不具備導(dǎo)電性，因此在用作大功率散熱基板之前必須對其表面進(jìn)行金屬化。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)合力是封裝性能穩(wěn)定性的重要保證，因此，實(shí)現(xiàn)陶瓷基片的金屬化是氮化鋁陶瓷獲得實(shí)際應(yīng)用的重要一環(huán)。
氮化鋁陶瓷是強(qiáng)共價(jià)鍵化合物，而金屬一般都表現(xiàn)為金屬鍵化合物，因此與其他化學(xué)鍵的化合物相比，在高溫下氮化鋁與金屬的浸潤性較差，實(shí)現(xiàn)金屬化的難度較高。目前，使用廣泛的氮化鋁基片金屬化的方法主要有以下幾種：
1.機(jī)械連接與粘結(jié)
機(jī)械連接法的特點(diǎn)是采取合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用機(jī)械應(yīng)力實(shí)現(xiàn)氮化鋁基片與金屬的連接，比如熱套連接和螺栓連接。機(jī)械連接方法具有工藝簡單，可行性好等特點(diǎn)，但是連接處應(yīng)力較大，不適用于高溫環(huán)境，使用范圍受限。
粘結(jié)是指以有機(jī)粘結(jié)劑為連接介質(zhì)，通過適宜的粘接工藝，將性質(zhì)差異較大的氮化鋁基片與金屬材料結(jié)合成為一個(gè)機(jī)械整體的連接方法。但粘接法同樣不適用于高溫、高強(qiáng)度的環(huán)境，使用范圍較小。
2.厚膜法（TPC）
厚膜法是指通過絲網(wǎng)印刷的方式直接在氮化鋁陶瓷基體表面涂上一層導(dǎo)電漿料，然后經(jīng)過干燥、高溫?zé)Y(jié)使金屬涂層附著在陶瓷基體表面的工藝。導(dǎo)電漿料一般由導(dǎo)電金屬粉末、玻璃粘結(jié)劑和有機(jī)載體組成。導(dǎo)電金屬粉末決定了漿料成膜后的電學(xué)性能和機(jī)械性能，目前常用的金屬粉末有銀、銅、鎳和鋁等，其中，銀和銅電阻低，成本低，較為適合工業(yè)化生產(chǎn)。因此，該工藝性能可靠，具有生產(chǎn)效率高、成本低、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)在于受絲網(wǎng)印刷工藝的精度限制，附著力不易控制，燒結(jié)后的基板無法獲得高精度線路，因此，只能應(yīng)用于對線路精度要求不高的電子器件封裝材料。
TPC基板產(chǎn)品（圖源：金瑞欣）
3.活性金屬釬焊法（AMB）
活性金屬釬焊法，是直接在普通釬料中加入Ti、Zr、Al、Nb、V等化學(xué)性質(zhì)較為活潑的過渡元素。這些活性元素直接與氮化鋁陶瓷表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成過渡層，過渡層的主要產(chǎn)物是一些金屬鍵化合物，并具有與金屬相同的結(jié)構(gòu)，因此可以被熔化的釬料金屬潤濕，形成冶金接合。
AMB工藝流程
氮化鋁陶瓷基板是一種重要的散熱器件，常常在高溫下使用，所以需要更加耐高溫的連接接頭。以CuTi、NiTi為主的高溫活性釬料，可在1200~1800℃的范圍內(nèi)使用；以Au基、Co基、Pd基釬料為代表的三元系或者多元系釬料是最常用的高溫活性釬料，Au、Co、Pd的熔點(diǎn)分別為1064℃、1492℃、1554℃，在釬料中起到提高熔點(diǎn)的作用。由于釬料中的活性元素化學(xué)性質(zhì)活潑，為避免在高溫下與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以活性釬焊必須在嚴(yán)苛的真空環(huán)境或者惰性氣氛保護(hù)下進(jìn)行，技術(shù)成本較高，不適用于大規(guī)�；瘧�(yīng)用。
4.共燒法
共燒法是通過絲網(wǎng)印刷工藝在氮化鋁陶瓷生片表面涂刷一層難熔金屬（鉬、鎢等）的厚膜漿料，一起脫脂燒成，使導(dǎo)電金屬與氮化鋁陶瓷燒成為一體結(jié)構(gòu)。共燒法根據(jù)燒結(jié)溫度的高低可分為低溫共燒(LTCC)和高溫共燒(HTCC)兩種方式，兩者工藝流程相似，所用設(shè)備也相差無幾，但共燒溫度差別較大，LTCC燒結(jié)溫度一般為800-900℃，而HTCC燒結(jié)溫度為1600-1900℃，HTCC基板更適用于大功率和高溫場景。燒結(jié)后，為了便于芯片引線鍵合及焊接，還需在金屬陶瓷復(fù)合體的金屬位置鍍上一層鋅或鎳等熔點(diǎn)較低的金屬。共燒法容易實(shí)現(xiàn)多層化，實(shí)現(xiàn)高密度布線，由于導(dǎo)體絕緣與絕緣做成一體化結(jié)構(gòu)，還可以實(shí)現(xiàn)氣密封裝。
HTCC工藝流程
5.薄膜法（TFC）
薄膜法是指采用濺射工藝直接在氮化鋁陶瓷基片表面沉積金屬層，輔以蒸鍍、光刻與刻蝕等方法將金屬層圖形制備成線路的技術(shù)。薄膜不僅是指膜的實(shí)際厚度，更多的指在基板上的膜的產(chǎn)生方式。厚膜技術(shù)是加法技術(shù)，而薄膜技術(shù)是減法技術(shù)。使用光刻與刻蝕等工藝使薄膜技術(shù)得到的圖形特征尺寸更小，線條更清晰，更適合高密度和高頻率環(huán)境，但直接在陶瓷基板表面進(jìn)行金屬化所得金屬化層的附著力不高，并且氮化鋁基板與金屬的熱膨脹系數(shù)不匹配，在工作時(shí)會(huì)受到較大的熱應(yīng)力。為了提高金屬化層的附著力，減小陶瓷與金屬的熱應(yīng)力，陶瓷基板一般采用多層金屬結(jié)構(gòu)。
薄膜陶瓷基板（圖源：金瑞欣）
6.直接覆銅法（DBC）
直接覆銅法(DBC)的工藝流程是在銅和陶瓷表面處引入氧元素，然后在1000~1100℃的溫度范圍內(nèi)形成氧化銅的共晶液相，該液相對互相接觸的金屬銅和陶瓷基板表面都具有良好潤濕效果，從而實(shí)現(xiàn)陶瓷基板與銅的冶金結(jié)合。
氮化鋁陶瓷基板DBC工藝（圖源：華西證券研究所）
而氮化鋁陶瓷是強(qiáng)共價(jià)鍵化合物，Cu/O共晶液相對氮化鋁的潤濕性較差，因此要先對氮化鋁陶瓷基板進(jìn)行表面改性，常用的方法是進(jìn)行預(yù)氧化處理，使氮化鋁陶瓷表面形成厚度一定、分散均勻且結(jié)構(gòu)致密的氧化鋁層，這樣覆接的界面就變成為氮化鋁-氧化鋁-銅界面，以確保氮化鋁陶瓷和銅之間結(jié)合的可靠性。
7.直接鍍銅法（DPC）
直接鍍銅法是利用半導(dǎo)體工藝在陶瓷基板上濺射銅種子層，再經(jīng)曝光、顯影、去膜等光刻工藝實(shí)現(xiàn)線路圖案，最后通過電鍍或化學(xué)鍍方式使銅層達(dá)到一定厚度。種子層的注入是利用物理氣相沉積（磁控濺射與真空蒸鍍等）方法在陶瓷表面沉積一層金屬層。
DPC制備工藝
物理氣相沉積屬于低溫工藝（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，但是電鍍沉積銅層厚度有限，且電鍍廢液污染大。
幾種常見的氮化鋁陶瓷基板金屬化方法
以上是氮化鋁陶瓷基板金屬化較為常見的幾種方法，其各自優(yōu)缺點(diǎn)如上表所示。除以上幾種方法之外，熔焊、固相擴(kuò)散、自蔓延高溫合成等方法也可用于氮化鋁陶瓷基板的金屬化。
參考來源：
[1]齊維靖，大功率LED氮化鋁陶瓷散熱基板的制備
[2]張明昌等，陶瓷基板金屬化制備技術(shù)的研究進(jìn)展
華西證券研究所、福建臻璟
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/梧桐）
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