摘要：

散熱基板是大功率電子元器件散熱的重要通道, 其導(dǎo)熱性能將直接影響功率型電子元器件的可靠性與使用壽命。詳細(xì)介紹了陶瓷作為高導(dǎo)熱的散熱基板材料, 其表面金屬化的技術(shù)方案及發(fā)展現(xiàn)狀, 同時(shí)指出了各種金屬化方案的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn), 對(duì)比分析了各類陶瓷封裝散熱基板的特點(diǎn)與性能差異, 并在此基礎(chǔ)上對(duì)陶瓷基板的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

0.引言

隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步, 散熱問(wèn)題已經(jīng)逐漸成為限制功率型電子產(chǎn)品朝著大功率與輕型化方向發(fā)展的瓶頸。熱量在功率型電子元器件內(nèi)部的不斷積累將使得芯片結(jié)溫逐步升高, 并產(chǎn)生熱應(yīng)力, 引發(fā)壽命降低及色溫變化等一系列可靠性問(wèn)題。在功率型電子元器件的封裝應(yīng)用中, 散熱基板不僅承擔(dān)著電氣連接和機(jī)械支撐等功能, 更是熱量傳輸?shù)闹匾ǖ繹1]。對(duì)功率型電子器件而言, 其封裝基板應(yīng)具有較高的導(dǎo)熱性、絕緣性與耐熱性, 以及較高的強(qiáng)度和與芯片相匹配的熱膨脹系數(shù)[2,3]。
目前市面上常見的散熱基板以金屬基板 (MCPCB) 和陶瓷基板為主。MCPCB因受制于導(dǎo)熱絕緣層極低的導(dǎo)熱系數(shù), 已經(jīng)越來(lái)越難以適應(yīng)功率型電子元器件的發(fā)展要求。陶瓷基板作為新興的散熱材料, 其導(dǎo)熱率與絕緣性等綜合性能是普通MCPCB所無(wú)法比擬的, 而陶瓷基板表面金屬化是決定其實(shí)際應(yīng)用的重要前提。
本文詳細(xì)介紹陶瓷基板表面金屬化的技術(shù)方法及研究現(xiàn)狀, 并闡述了各種金屬化方案的原理, 指出了各方案的關(guān)鍵技術(shù)控制點(diǎn), 旨在為功率型LED陶瓷封裝基板的選擇提供技術(shù)參考。

1.陶瓷表面金屬化研究現(xiàn)狀 

陶瓷基板在燒結(jié)成型之后, 需對(duì)其表面實(shí)施金屬化, 然后通過(guò)影像轉(zhuǎn)移的方法完成表面圖形的制作, 以實(shí)現(xiàn)陶瓷基板的電氣連接性能。表面金屬化對(duì)陶瓷基板的制作而言是至關(guān)重要的一環(huán), 這是因?yàn)榻饘僭诟邷叵聦?duì)陶瓷表面的潤(rùn)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LED封裝性能穩(wěn)定性的重要保證。
因此, 如何在陶瓷表面實(shí)施金屬化并改善二者之間的結(jié)合力成為眾多科技人員研究的重點(diǎn)[4,5,6]。目前, 陶瓷表面常見的金屬化方法大致可以分為共燒法 (HTCC和LTCC) 、厚膜法 (TFC) 、直接敷銅法 (DBC) 、直接敷鋁法 (DBA) 及薄膜法 (DPC) 等幾種形式[7,8]。

1.1 共燒法 (HTCC/LTCC)

共燒多層陶瓷基板因利用厚膜技術(shù)將信號(hào)線、微細(xì)線等無(wú)源元件埋入基板中能夠滿足集成電路的諸多要求, 故在近幾年獲得了廣泛的關(guān)注[9]。
共燒法有兩種, 一種是高溫共燒 (HTCC) , 另一種是低溫共燒 (LTCC) , 兩者工藝流程基本相同, 主要生產(chǎn)工藝流程均為漿料配制、流延生帶、干燥生坯、鉆導(dǎo)通孔、網(wǎng)印填孔、網(wǎng)印線路、疊層燒結(jié)以及最后的切片等后處理過(guò)程。將氧化鋁粉末與有機(jī)粘接劑混合形成漿料, 再利用刮刀把漿料加工成片狀, 經(jīng)干燥后形成陶瓷生坯[10], 然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求在生坯上加工導(dǎo)通孔并填充金屬粉末, 利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在生坯表面涂布形成線路圖形。最后將各層生坯層疊后進(jìn)行壓合, 在共燒爐內(nèi)完成燒結(jié)并成型。兩種共燒法雖流程大致相同, 但燒結(jié)的溫度卻相差很大。HTCC共燒溫度為1300~1600℃, 而LTCC燒結(jié)溫度則為850~900℃。造成這種差別的主要原因在于LTCC燒結(jié)漿料中加入了可以降低燒結(jié)溫度的玻璃材料, 這是HTCC共燒漿料中所沒有的。雖然玻璃材料可降低燒結(jié)溫度, 但是導(dǎo)致基板的熱導(dǎo)率大幅下降[11,12,13]。
共燒陶瓷基板在增加組裝密度、縮短互連長(zhǎng)度、減少信號(hào)延遲、減小體積、提高可靠性等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。共燒基板更多的應(yīng)用是將多種無(wú)源器件埋置于陶瓷漿料中燒結(jié), 制作成三維集成且互不干擾的高密度電路, 在其表面貼裝IC和有源器件, 制作成功能集成模塊, 進(jìn)一步減小電路結(jié)構(gòu), 提高集成密度, 特別適用于高頻通訊用組件[13]。然而, 因HTCC與LTCC均是采用網(wǎng)版印刷完成圖形制作, 因此圖形尺寸精度及表面粗糙度受印刷工藝的影響較大。同時(shí), 層壓過(guò)程中也極易造成圖形對(duì)位不精準(zhǔn)而導(dǎo)致公差累積過(guò)大等問(wèn)題。再者, 生坯在燒結(jié)過(guò)程中容易出現(xiàn)收縮不一致的情況, 這在很大程度上也限制了共燒工藝的應(yīng)用[14,15]。

1.2 厚膜法 (Thick film ceramic, TFC)

厚膜法是指采用絲網(wǎng)印刷的方式, 將導(dǎo)電漿料直接涂布在陶瓷基體上, 然后經(jīng)高溫?zé)Y(jié)使金屬層牢固附著于陶瓷基體上的制作工藝。厚膜導(dǎo)體漿料的選擇是決定厚膜工藝的關(guān)鍵因素, 它由功能相 (即金屬粉末, 粒徑在2μm以內(nèi)) 、粘結(jié)相 (粘結(jié)劑) 和有機(jī)載體所組成。常見的金屬粉末有Au、Pt、Au/Pt、Au/Pd、Ag、Ag/Pt、Ag/Pd、Cu、Ni、Al及W等金屬, 其中以Ag、Ag/Pd和Cu漿料居多[16]。粘結(jié)劑一般是玻璃料或金屬氧化物或是二者的混合物, 其作用是連結(jié)陶瓷與金屬并決定著厚膜漿料對(duì)基體陶瓷的附著力, 是厚膜漿料制作的關(guān)鍵。有機(jī)載體的作用主要是分散功能相和粘結(jié)相, 同時(shí)使厚膜漿料保持一定的粘度, 為后續(xù)的絲網(wǎng)印刷做準(zhǔn)備, 在燒結(jié)過(guò)程中會(huì)逐漸揮發(fā)[17]。
目前對(duì)于氧化鋁厚膜電子漿料的研究已經(jīng)趨于成熟, 而氮化鋁厚膜電子漿料尚有較大的發(fā)展空間, 這是由多數(shù)金屬對(duì)氮化鋁陶瓷的潤(rùn)濕性不理想所導(dǎo)致的[17]。為改善厚膜制作過(guò)程中金屬與氮化鋁陶瓷之間的結(jié)合力, 最常見的方法有兩種, 一是利用玻璃料作為粘結(jié)相使金屬層與AlN層達(dá)到機(jī)械結(jié)合;二是添加與AlN能夠反應(yīng)的物質(zhì)作為粘結(jié)相, 通過(guò)與AlN反應(yīng)達(dá)到化學(xué)結(jié)合。目前氮化鋁漿料大部分玻璃粘結(jié)體系的主要成分為SiO2-B2O3, 這是因?yàn)楣杷猁}玻璃和硼酸鹽玻璃對(duì)金屬及氮化鋁均有很好的潤(rùn)濕效果。另外, 硼酸鹽玻璃的軟化點(diǎn)較低, 能夠提高燒成速率, 增強(qiáng)燒結(jié)后的密度。但硼酸鹽軟化點(diǎn)低的特性也會(huì)使其在未達(dá)到金屬化燒結(jié)溫度前就發(fā)生軟化流動(dòng), 從而不能使金屬層與氮化鋁陶瓷形成有效的網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu), 硅酸鹽的加入可以有效解決這一問(wèn)題。同時(shí), 還可以通過(guò)向玻璃相中添加適量的堿金屬和堿土金屬以進(jìn)一步改善玻璃相的性能, 這是因?yàn)閴A或堿土金屬能夠使玻璃發(fā)生分化, 降低玻璃的粘度。一般隨著堿或堿土金屬添加量的增加, 粘度會(huì)顯著降低, 從而有利于提高漿料的流動(dòng)性, 加速金屬化燒結(jié), 常用的堿或堿土金屬有Li2O、Na2O、K2O、BaO和PdO等[18,19]。此外, 還可以加入一些能夠與氮化鋁反應(yīng)生成新相的物質(zhì), 如Cr2O3、PdO、ZnO等, 利用新相形成的反應(yīng)結(jié)合力提高漿料金屬化后的附著強(qiáng)度。有研究指出, 一些硅和硼的堿土金屬氧化物, 以及鋯、鐵、鉛及磷等的氧化物, 它們能夠與AlN發(fā)生反應(yīng)生成新物質(zhì)[20,21]。例如使用ZrB2粘結(jié)相, 反應(yīng)過(guò)程中由于新相Al2O3·B2O3 (硼鋁尖晶石) 的生成, 可使金屬化層與氮化鋁陶瓷結(jié)合力高達(dá)24MPa, 反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的ZrO2還能加速AlN的氧化, 從而促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。

TFC燒結(jié)后的金屬層厚度一般為10~20μm, 最小線寬為0.1 mm。由于技術(shù)成熟, 工藝簡(jiǎn)單, 成本較低, TFC在對(duì)圖形精度要求不高的LED封裝中得到一定應(yīng)用。同時(shí), TFC因存在著圖形精準(zhǔn)度低 (誤差為±10%) 、鍍層穩(wěn)定性易受漿料均勻性影響、線面平整度不佳 (3μm以上) 及附著力不易控制等缺點(diǎn), 使其應(yīng)用范圍受到了一定的限制。

1.3 直接敷銅法 (Direct bonded copper, DBC) 

DBC是在陶瓷表面 (主要是Al2O3和AlN) 鍵合銅箔的一種金屬化方法, 它是隨著板上芯片 (COB) 封裝技術(shù)的興起而發(fā)展出來(lái)的一種新型工藝。其基本原理是在Cu與陶瓷之間引進(jìn)氧元素, 然后在1065~1083℃時(shí)形成Cu/O共晶液相, 進(jìn)而與陶瓷基體及銅箔發(fā)生反應(yīng)生成CuAlO2或Cu(AlO2)2, 并在中間相的作用下實(shí)現(xiàn)銅箔與基體的鍵合。因Al N屬于非氧化物陶瓷, 其表面敷銅的關(guān)鍵在于在其表面形成一層Al2O3過(guò)渡層, 并在過(guò)渡層的作用下實(shí)現(xiàn)銅箔與基體陶瓷的有效鍵合[22]。
氧的引入是DBC工藝中一個(gè)非常關(guān)鍵的步驟, 氧化時(shí)間與氧化溫度是該工藝中兩個(gè)最重要的參數(shù), 對(duì)鍵合后陶瓷與銅箔之間的結(jié)合力有著非常重要的影響。當(dāng)氧化時(shí)間和氧化溫度固定時(shí), 沒經(jīng)預(yù)氧化處理的Al2O3基體在與銅箔敷接的過(guò)程中, 因氧難以滲入銅箔與陶瓷基板的界面, Cu/O液相對(duì)基板的潤(rùn)濕性較差, 最后會(huì)在界面上殘留大量的空洞和缺陷。而基體經(jīng)預(yù)氧化處理后, 可在敷接的同時(shí)給予充足的供氧, 則Cu/O液相對(duì)陶瓷基體和銅箔潤(rùn)濕性良好, 界面空洞及缺陷明顯減少, 銅箔與基體的結(jié)合力也較為牢固。而對(duì)于AlN而言, 因AlN是強(qiáng)共價(jià)鍵化合物, Cu/O液相對(duì)其潤(rùn)濕性較差, 在其表面利用DBC方式敷銅時(shí)則必須通過(guò)表面改性的方式來(lái)增強(qiáng)Cu/O液相對(duì)陶瓷基體的潤(rùn)濕性以確保銅箔與基體的結(jié)合力。目前一般的做法是利用預(yù)氧化的方式在AlN表面形成一定厚度、分散均勻且結(jié)構(gòu)致密的Al2O3薄膜。因氧化鋁薄膜與氮化鋁基體的熱膨脹系數(shù)不匹配, 室溫條件下兩相界面可能會(huì)因內(nèi)應(yīng)力的存在而導(dǎo)致結(jié)合力變差, 所以膜的質(zhì)量是后續(xù)敷接成敗的關(guān)鍵。一般而言, 欲實(shí)現(xiàn)二者的有效結(jié)合, 必須在保證氧化膜致密的前提下, 盡可能減小膜的厚度來(lái)降低AlN與Al2O3兩相之間的內(nèi)應(yīng)力。井敏等[23]對(duì)DBC工藝展開了系統(tǒng)的研究, 利用熔融NaOH粗化陶瓷表面的方法, 獲得了剝離強(qiáng)度為6.5 N/mm以上、熱導(dǎo)率為11.86W/ (m·K) 的DBC陶瓷基板。謝建軍等[24]用DBC技術(shù)制備了Cu/Al2O3、Cu/AlN復(fù)合陶瓷基板材料, 銅箔和AlN陶瓷基板間的結(jié)合強(qiáng)度超過(guò)了8.00 N/mm, 銅箔和AlN陶瓷之間存在厚度約為2μm的過(guò)渡層, 其成分主要為Al2O3、CuAlO2和Cu2O化合物, 隨著敷接溫度升高, Cu/AlN的界面結(jié)合強(qiáng)度逐漸增大。AKara-Slimane等[25]在真空條件下, 溫度為1000℃、壓強(qiáng)為4~12 MPa時(shí), 利用DBC工藝制得氮化鋁陶瓷基板, 其剝離強(qiáng)度高達(dá)32 MPa。
銅箔具有良好的導(dǎo)電及導(dǎo)熱性能, 而氧化鋁不僅具有導(dǎo)熱性能好、絕緣性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn), 還能有效地控制CuAl2O3-Cu復(fù)合體的膨脹, 使DBC陶瓷基板具有近似氧化鋁的熱膨脹系數(shù), 現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于IGBT、LD和CPV等的封裝散熱管理中。因DBC熱壓鍵合的銅箔一般較厚, 為100~600μm, 具有強(qiáng)大的載流能力, 在IGBT和LD封裝領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)明顯[26]。
雖然DBC在實(shí)際工程運(yùn)用中存在許多優(yōu)勢(shì), 但同時(shí)也存在如下不足: (1) DBC工藝需要在高溫條件下引入氧元素使Cu與Al2O3發(fā)生共晶反應(yīng), 對(duì)設(shè)備和工藝控制要求較高, 基板制作成本較高; (2) Al2O3與Cu層之間容易產(chǎn)生微氣孔, 基板抗熱沖擊性能會(huì)受影響; (3) DBC表面鍵合銅箔厚度一般在100μm以上, 表面圖形最小線寬一般大于100μm, 不適合精細(xì)線路的制作。

1.4 直接敷鋁法 (Direct aluminum bonded, DAB) 

直接敷鋁法是利用鋁在液態(tài)下對(duì)陶瓷有著較好的潤(rùn)濕性以實(shí)現(xiàn)二者的敷接。當(dāng)溫度升至660℃以上時(shí), 固態(tài)鋁發(fā)生液化, 當(dāng)液態(tài)鋁潤(rùn)濕陶瓷表面后, 隨著溫度的降低, 鋁直接在陶瓷表面提供的晶核結(jié)晶生長(zhǎng), 冷卻到室溫實(shí)現(xiàn)兩者的結(jié)合。由于鋁較為活潑, 在高溫條件下容易氧化生成Al2O3薄膜而存在于鋁液表面, 大大降低鋁液對(duì)陶瓷表面的潤(rùn)濕性, 使敷接難以實(shí)現(xiàn), 因此在敷接前必須將其去除或是在無(wú)氧條件下進(jìn)行敷接。彭榕等[23,27]采取石墨模具壓鑄的方法, 將純凈的鋁液通過(guò)壓力鋪在Al2O3基板和AlN基板表面, 而Al2O3膜由于沒有流動(dòng)性而留在模具空腔里, 冷卻后制得敷接完好的DAB基板。
鑒于鋁液對(duì)陶瓷表面的潤(rùn)濕性是影響DAB成敗的關(guān)鍵, 國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)潤(rùn)濕性展開了大量的研究工作。KaraSlimane[25]采用鋁作為中間層敷接Al N/Al/Fe時(shí)指出, 敷接過(guò)程中必須施加一定的壓力, 以打破液態(tài)鋁表面出現(xiàn)的Al2O3層, 才能實(shí)現(xiàn)鋁與氮化鋁和鐵的有效敷接。以上考慮的是物理敷接, 即鋁/陶瓷界面不存在化學(xué)反應(yīng), 這樣鋁和陶瓷之間的結(jié)合強(qiáng)度就取決于兩者之間的粗糙度增大而造成的機(jī)械鎖合作用, 與DBC相比其結(jié)合力比較小。但兩者之間的結(jié)合沒有第二相生成, 與DBC相比具有低界面應(yīng)力和高界面熱導(dǎo)的優(yōu)勢(shì)。在敷接鋁之前, 對(duì)陶瓷進(jìn)行表面處理以增大敷接強(qiáng)度是非常關(guān)鍵的工藝環(huán)節(jié)。
Imai[28]發(fā)現(xiàn), 陶瓷基板表面粗糙度在很大程度上影響敷接性能, 保持一定的粗糙度是提高敷接強(qiáng)度的必要條件。因此如何處理陶瓷基板以改變其粗糙度是提高鋁/陶瓷之間結(jié)合強(qiáng)度的關(guān)鍵。Lin等[29]對(duì)Al2O3/Al/Al2O3的敷接溫度及性能進(jìn)行了研究, 并在1100℃制備出熱導(dǎo)率達(dá)32 W/ (m·K) 的高鍵合強(qiáng)度DAB基板。井敏等[23]通過(guò)燒結(jié)Cu2O于Al2O3基板上首先形成一種穩(wěn)定的Cu Al2O4相, 在1 000℃下經(jīng)H2還原使基板表面生成一層銅膜, 最后在真空環(huán)境下用活潑金屬鎂和碳粉保護(hù)的方法, 隔絕了氧氣與金屬鋁的接觸, 在760℃以下共晶實(shí)現(xiàn)敷接, 制備了敷接強(qiáng)度高達(dá)11.9 MPa的Al/Al2O3的DAB陶瓷基板。
DAB陶瓷基板熱穩(wěn)定性良好, 與同結(jié)構(gòu)的DBC相比質(zhì)量可減輕44%, 鋁線鍵合能力佳, 鋁/陶瓷之間的熱應(yīng)力也相對(duì)較小, 近年來(lái)發(fā)展迅速。Al2O3-DAB基板及AlN-DAB基板具有優(yōu)異的導(dǎo)熱特性、良好的抗熱震疲勞性能、出色的熱穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕和良好的鋁線鍵合能力, 基于DAB基板的電力器件模塊已成功在日本汽車工業(yè)中得到應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)DAB技術(shù)做了大量的研究工作, 但對(duì)鋁/陶瓷界面細(xì)節(jié)方面的研究還不夠深入[4]。因?qū)ρ鹾坑袊?yán)格的限制, DAB對(duì)設(shè)備和工藝控制要求較高, 基板制作成本較高。且表面鍵合鋁厚度一般在100μm以上, 不適合精細(xì)線路的制作, 其推廣和應(yīng)用也因此而受限。

1.5 薄膜法 (Direct plated copper, DPC)

薄膜法是主要采用物理氣相沉積 (真空蒸鍍、磁控濺射等) 等技術(shù)在陶瓷表面形成金屬層, 再采用掩膜、刻蝕等操作形成金屬電路層的工藝過(guò)程。其中物理氣相沉積是最常見的薄膜制造工藝[30]。

物理氣相沉積是采用蒸鍍或?yàn)R射等方法在陶瓷表面形成一層3~5μm的金屬薄膜作為陶瓷基板的導(dǎo)電層。因金屬銅層與陶瓷層易發(fā)生熱循環(huán)剝離失效, 因此界面鍵合強(qiáng)度成為DPC基板的技術(shù)瓶頸。陶瓷與金屬薄膜的結(jié)合力、金屬薄膜與芯片的焊接性能以及金屬薄膜自身的導(dǎo)電能力是衡量薄膜質(zhì)量的三個(gè)重要指標(biāo)。金屬薄膜與氮化鋁的結(jié)合力決定了薄膜工藝陶瓷基板的實(shí)用性與可靠性, 而結(jié)合力則受到范德華力、化學(xué)鍵力、擴(kuò)散附著、機(jī)械鎖合、靜電引力及薄膜自身內(nèi)應(yīng)力的綜合影響, 其中以擴(kuò)散附著和化學(xué)鍵力為主要因素。因此需要選擇Al、Cr、Ti、Ni、Cu等活性較高、擴(kuò)散性能好的金屬作為過(guò)渡層。導(dǎo)電層承擔(dān)著電氣連接及焊接的功能, 因此需要選擇Au、Cu、Ag等電阻率低、耐高溫、化學(xué)性能穩(wěn)定且擴(kuò)散系數(shù)小的金屬材料[31]。張學(xué)斌[32]對(duì)DPC陶瓷基板制備工藝進(jìn)行了研究, 結(jié)果表明通過(guò)采用W/Ti合金作過(guò)渡層能提高鍵合強(qiáng)度, 當(dāng)過(guò)渡層厚度為200 nm時(shí), 制備的薄膜Al2O3陶瓷基板的結(jié)合力強(qiáng)度大于97.2 N。另外, 除利用物理氣相沉積制備薄膜外, 還有學(xué)者利用化學(xué)鍍的方法在陶瓷表面獲得了銅薄膜。重慶大學(xué)薛生杰等[13]利用化學(xué)鍍的方法, 通過(guò)優(yōu)化各類工藝參數(shù), 制備了結(jié)合力為18.45 N、電導(dǎo)率為2.65×10^6 S/m、沉積速率為0.026 g/ (s·cm2) 、熱導(dǎo)率為147.29 W/ (m·K) 的Al N薄膜陶瓷基板。
與其他陶瓷表面金屬化方法相比, DPC工藝操作溫度低, 一般在300℃以下, 降低了制造工藝成本, 同時(shí)有效避免了高溫對(duì)材料的不利影響。DPC基板利用黃光微影技術(shù)制作圖形電路, 線寬可控制在20~30μm, 表面平整度可達(dá)3μm以下, 圖形精度誤差可控制在±1%之內(nèi), 非常適合對(duì)電路精度要求較高的電子器件封裝。特別是在利用激光對(duì)DPC基板切孔與通孔填銅后, 可實(shí)現(xiàn)陶瓷基板上下表面的互聯(lián), 從而滿足電子器件的三維封裝要求。DPC不僅降低了封裝體積, 還能有效提高封裝集成度。DPC陶瓷基板雖具有上述諸多優(yōu)點(diǎn), 但是也存在著諸如電鍍沉積銅層厚度有限, 且電鍍廢液污染大、金屬層與陶瓷間的結(jié)合強(qiáng)度較低, 產(chǎn)品應(yīng)用時(shí)可靠性較低等不足。

2 陶瓷基板的性能對(duì)比和發(fā)展趨勢(shì)

2.1 陶瓷基板性能對(duì)比

功率型電子封裝散熱基板除了電氣連接與散熱功能之外, 還需要同時(shí)具備一定的絕緣、耐熱、耐壓能力與熱匹配性能。因陶瓷基板具有優(yōu)異的導(dǎo)熱與絕緣性能, 在功率型電子元器件的封裝應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)凸顯, 是日后功率型電子封裝散熱基板的主要發(fā)展方向之一[33]。LTCC、HTCC、TFC、DBC、DBA、DPC工藝陶瓷基板的主要特征如表1所示。

表1 各類陶瓷基板的主要特征及性能對(duì)比

到目前為止, Cree、Osram、Philips及Nichia等國(guó)際頂尖制造商及國(guó)內(nèi)江西晶瑞、易美芯光、虎成科技、佛山國(guó)星、深圳瑞豐、廣州鴻利、寧波升譜等企業(yè)相繼推出了陶瓷封裝的功率型電子產(chǎn)品。目前因受制于技術(shù)能力, 陶瓷基板的制造成本仍然較高。但可以預(yù)測(cè)的是, 隨著技術(shù)瓶頸的不斷突破及封裝集成度的不斷提高, 陶瓷基板的市場(chǎng)接受度將會(huì)日益提高, 利用陶瓷作為封裝基板的功率型電子產(chǎn)品也會(huì)日益豐富。

2.2 陶瓷基板發(fā)展趨勢(shì)

陶瓷基板具有低的熱膨脹系數(shù)、良好的導(dǎo)熱性能及絕緣性能, 已經(jīng)成為業(yè)界公認(rèn)的最具發(fā)展?jié)摿Φ纳峄宀牧? 在某些場(chǎng)合正逐步取代金屬基板, 成為高功率電子元器件散熱首選的熱管理方案[34]。
如前所述, 目前應(yīng)用于大功率電子元器件封裝的陶瓷基板制造技術(shù)共有HTCC、LTCC、TFC、DBC、DAB、DPC六種, 其中HTCC工藝中金屬粉末主要是鎢、鉬、錳等熔點(diǎn)較高但導(dǎo)電性較差的金屬, 其制作成本較高, 故一般較少采用。LTCC工藝因在漿料中加入了導(dǎo)熱率低的玻璃材料, 其導(dǎo)熱率僅為2~3 W/ (m·K) , 與普通的MCPCB相比優(yōu)勢(shì)并不明顯。與此同時(shí), HTCC與LTCC的線路圖形因采用厚膜 (TFC) 技術(shù)制作, 存在線路表面粗糙、對(duì)位不精準(zhǔn)的缺點(diǎn)。此外, 在燒結(jié)過(guò)程中還存在陶瓷生坯收縮不一致的問(wèn)題, 這使得共燒陶瓷的工藝解析度受到了一定的限制, 推廣應(yīng)用也面臨著極大的挑戰(zhàn)。
DBC工藝中因液相銅對(duì)陶瓷表面的潤(rùn)濕性較差, 需要在高溫條件下引入氧元素實(shí)現(xiàn)銅箔與基體陶瓷的敷接, 且在交界面上容易產(chǎn)生微氣孔, 對(duì)設(shè)備和技術(shù)要求較高, 仍然是國(guó)內(nèi)外科研工作者研究的重點(diǎn)。DAB工藝中鋁在高溫下容易氧化, 會(huì)影響到液態(tài)鋁液對(duì)陶瓷表面的潤(rùn)濕性, 敷接需要在無(wú)氧條件下進(jìn)行, 因此對(duì)設(shè)備和技術(shù)的要求同樣較為苛刻, 目前并沒有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化。目前, 西方發(fā)達(dá)國(guó)家、日本、韓國(guó)擁有DBC與DAB的技術(shù)和市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。我國(guó)部分科研機(jī)構(gòu)也對(duì)DBC與DAB開展了一些研究工作并取得了一定的技術(shù)突破, 但與國(guó)際先進(jìn)水平相比仍有一定的差距, 產(chǎn)品主要應(yīng)用于IGBT (絕緣柵雙極二極管) 和LD (激光二極管) 等功率器件封裝。因DBC與DAB導(dǎo)電層較厚, 兩種基板應(yīng)用于LED封裝的優(yōu)勢(shì)并不明顯。
DPC工藝通過(guò)在陶瓷表面引入過(guò)渡層金屬解決了銅箔對(duì)陶瓷表面潤(rùn)濕性不佳的難題, 在保證導(dǎo)電層與陶瓷基體之間結(jié)合力的前提下, 成功實(shí)現(xiàn)了陶瓷表面金屬化。DPC陶瓷基板不僅具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能, 而且線路精準(zhǔn)度與表面平整度較高, 非常適合LED覆晶與共晶工藝的LED封裝, 并在生產(chǎn)規(guī)模方面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化, 是目前最能滿足LED朝大功率、高光密與小尺寸方向發(fā)展需求的陶瓷封裝散熱基板。目前我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)對(duì)DPC核心技術(shù)持壟斷地位, 全球產(chǎn)品市場(chǎng)占有率占80%, 是半導(dǎo)體照明行業(yè)巨頭如美國(guó)Cree、Lumileds和德國(guó)Osram等企業(yè)陶瓷散熱基板的主要供應(yīng)方。如今隨著研發(fā)力度的不斷加大, 大陸地區(qū)DPC基板技術(shù)也已經(jīng)取得了突破, 在一定程度上也能滿足大功率LED封裝對(duì)散熱的需求。
在制造工藝技術(shù)瓶頸不斷突破的背景下, 陶瓷基板脆性大是不爭(zhēng)的事實(shí), 如何利用其優(yōu)異的導(dǎo)熱性能為快速發(fā)展的LED產(chǎn)業(yè)提供散熱管理方案, 并避免在生產(chǎn)與使用過(guò)程中因脆性過(guò)大而龜裂也是不容忽視的現(xiàn)實(shí)難題。樂健科技 (珠海) 有限公司利用激光切割或砂輪切割將大塊陶瓷切割成若干小塊, 并將其選擇性地植入到FR4結(jié)構(gòu)中, 利用壓合的工藝將陶瓷與FR4結(jié)合在一起形成復(fù)合散熱結(jié)構(gòu)。其中, 陶瓷充當(dāng)芯片的散熱通道, 使電子元器件在工作過(guò)程所產(chǎn)生的熱量能夠沿著陶瓷迅速向外界擴(kuò)散, 避免散熱不良導(dǎo)致元器件可靠性降低, 從而造成過(guò)早失效的風(fēng)險(xiǎn), 如圖1及圖2所示。這種設(shè)計(jì)不僅保留了陶瓷的散熱功能, 而且解決了陶瓷易碎的難題。同時(shí), 可以在FR4上實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工, 極大地降低了純陶瓷切割時(shí)的高昂成本。目前, 該類復(fù)合基板材料已經(jīng)在大功率LED和IGBT等領(lǐng)域得到了一定規(guī)模的應(yīng)用。

圖1 微散熱器高導(dǎo)熱陶瓷基板結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 微散熱器高導(dǎo)熱陶瓷結(jié)構(gòu)示意圖

散熱是功率型電子元器件發(fā)展過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。鑒于大功率、小尺寸、輕型化已經(jīng)成為未來(lái)功率型電子元器件封裝的發(fā)展趨勢(shì), 陶瓷基板除了具有優(yōu)異的導(dǎo)熱特性之外, 還具備較好的絕緣、耐熱、耐壓能力及與芯片良好的熱匹配性能, 已成為中、高端功率型電子元器件封裝散熱之首選。陶瓷基板表面金屬化工藝是實(shí)現(xiàn)陶瓷在功率型電子元器件封裝中使用的重要環(huán)節(jié), 金屬化方法決定了陶瓷基板的性能、制造成本、產(chǎn)品良率與使用范圍。

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