陶瓷基板

陶瓷基板是指銅箔在高溫下直接鍵合到氧化鋁(Al2O3)或氮化鋁(AlN)陶瓷基片表面( 單面或雙面)上的特殊工藝板。所製成的超薄複合基板具有優良電絕緣性能，高導熱特性，優異的軟釺焊性和高的附著強度，並可像PCB板一樣能刻蝕出各種圖形，具有很大的載流能力。因此，陶瓷基板已成為大功率電力電子電路結構技術和互連技術的基礎材料。

基本介紹

• 中文名：陶瓷基板
• 外文名：ceramic substrate
• 用途：大功率電力半導體模組
• 特點：機械應力強，形狀穩定
• 優越性：陶瓷基板的熱膨脹係數接近矽晶片

特點

◆機械應力強，形狀穩定；高強度、高導熱率、高絕緣性；結合力強，防腐蝕。

◆ 較好的熱循環性能，循環次數達5萬次，可靠性高。

◆與PCB板(或IMS基片)一樣可刻蝕出各種圖形的結構；無污染、無公害。

◆使用溫度寬-55℃～850℃；熱膨脹係數接近矽，簡化功率模組的生產工藝。

種類

一、按材料來分

1、 Al2O3

氧化鋁基板是電子工業中最常用的基板材料，因為在機械、熱、電性能上相對於大多數其他氧化物陶瓷，強度及化學穩定性高，且原料來源豐富，適用於各種各樣的技術製造以及不同的形狀。斯利通氧化鋁基板已經可以進行三維定製。

2、BeO

具有比金屬鋁還高的熱導率，套用於需要高熱導的場合，但溫度超過300℃後迅速降低，最重要的是由於其毒性限制了自身的發展。

3 、AlN

AlN有兩個非常重要的性能值得注意：一個是高的熱導率，一個是與Si相匹配的膨脹係數。缺點是即使在表面有非常薄的氧化層也會對熱導率產生影響，只有對材料和工藝進行嚴格控制才能製造出一致性較好的AlN基板。AlN生產技術國內像斯利通這樣能大規模生產的少之又少，相對於Al2O3，AlN價格相對偏高許多，這個也是制約其發展的小瓶頸。不過隨著經濟的提升，技術的升級，這種瓶頸終會消失。

綜合以上原因，可以知道，氧化鋁陶瓷由於比較優越的綜合性能，在微電子、功率電子、混合微電子、功率模組等領域還是處於主導地位而被大量運用。

二、 按製造工藝來分

現階段較普遍的陶瓷散熱基板種類共有HTCC、LTCC、DBC、DPC、LAM五種，其中LAM屬於斯利通與華中科技大學國家光電實驗室合作的專利技術，HTCC\LTCC都屬於燒結工藝，成本都會較高。

而DBC與DPC則為國內近年來才開發成熟，且能量產化的專業技術，DBC是利用高溫加熱將Al2O3與Cu板結合，其技術瓶頸在於不易解決Al2O3與Cu板間微氣孔產生之問題，這使得該產品的量產能量與良率受到較大的挑戰，而DPC技術則是利用直接鍍銅技術，將Cu沉積於Al2O3基板之上，其工藝結合材料與薄膜工藝技術，其產品為近年最普遍使用的陶瓷散熱基板。然而其材料控制與工藝技術整合能力要求較高，這使得跨入DPC產業並能穩定生產的技術門檻相對較高。LAM技術又稱作雷射快速活化金屬化技術。

1、HTCC (High-Temperature Co-fired Ceramic)

HTCC又稱為高溫共燒多層陶瓷，生產製造過程與LTCC極為相似，主要的差異點在於HTCC的陶瓷粉末並無加入玻璃材質，因此，HTCC的必須再高溫1300~1600℃環境下乾燥硬化成生胚，接著同樣鑽上導通孔，以網版印刷技術填孔與印製線路，因其共燒溫度較高，使得金屬導體材料的選擇受限，其主要的材料為熔點較高但導電性卻較差的鎢、鉬、錳…等金屬，最後再疊層燒結成型。

2、 LTCC (Low-Temperature Co-fired Ceramic)

LTCC 又稱為低溫共燒多層陶瓷基板，此技術須先將無機的氧化鋁粉與約30%~50%的玻璃材料加上有機黏結劑，使其混合均勻成為泥狀的漿料，接著利用刮刀把漿料刮成片狀，再經由一道乾燥過程將片狀漿料形成一片片薄薄的生胚，然後依各層的設計鑽導通孔，作為各層訊號的傳遞，LTCC內部線路則運用網版印刷技術，分別於生胚上做填孔及印製線路，內外電極則可分別使用銀、銅、金等金屬，最後將各層做疊層動作，放置於850~900℃的燒結爐中燒結成型，即可完成。

3、 DBC (Direct Bonded Copper)

直接敷銅技術是利用銅的含氧共晶液直接將銅敷接在陶瓷上，其基本原理就是敷接過程前或過程中在銅與陶瓷之間引入適量的氧元素，在1065℃~1083℃範圍內，銅與氧形成Cu-O共晶液， DBC技術利用該共晶液一方面與陶瓷基板發生化學反應生成 CuAlO2或CuAl2O4相，另一方面浸潤銅箔實現陶瓷基板與銅板的結合。

優越性

◆陶瓷基板的熱膨脹係數接近矽晶片，可節省過渡層Mo片，省工、節材、降低成本；

◆減少焊層，降低熱阻，減少空洞，提高成品率；

◆在相同載流量下 0.3mm厚的銅箔線寬僅為普通印刷電路板的10%；

◆ 優良的導熱性，使晶片的封裝非常緊湊，從而使功率密度大大提高，改善系統和裝置的可靠性；

◆ 超薄型(0.25mm)陶瓷基板可替代BeO，無環保毒性問題；

◆載流量大，100A電流連續通過1mm寬0.3mm厚銅體，溫升約17℃；100A電流連續通過2mm寬0.3mm厚銅體，溫升僅5℃左右；

◆熱阻低，10×10mm陶瓷基板的熱阻0.63mm厚度陶瓷基片的熱阻為0.31K/W ，0.38mm厚度陶瓷基片的熱阻為0.19K/W，0.25mm厚度陶瓷基片的熱阻為0.14K/W。

◆ 絕緣耐壓高，保障人身安全和設備的防護能力。

◆ 可以實現新的封裝和組裝方法，使產品高度集成，體積縮小。

性能要求

（1）機械性質

有足夠高的機械強度，除搭載元件外，也能作為支持構件使用；加工性好，尺寸精度高；容易實現多層化；

表面光滑，無翹曲、彎曲、微裂紋等。

（2）電學性質

絕緣電阻及絕緣破壞電壓高；

介電常數低；

介電損耗小；

在溫度高、濕度大的條件下性能穩定，確保可靠性。

（3）熱學性質

熱導率高；

熱膨脹係數與相關材料匹配（特別是與Si的熱膨脹係數要匹配）；

耐熱性優良。

（4）其它性質

化學穩定性好；容易金屬化，電路圖形與其附著力強；

無吸濕性；耐油、耐化學藥品；a射線放出量小；

所採用的物質無公害、無毒性；在使用溫度範圍 內晶體結構不變化；

原材料豐富；技術成熟；製造容易；價格低。

用途

◆ 大功率電力半導體模組；半導體致冷器、電子加熱器；功率控制電路，功率混合電路。

◆智慧型功率組件；高頻開關電源，固態繼電器。

◆汽車電子，航天航空及軍用電子組件。

◆太陽能電池板組件；電訊專用交換機，接收系統；雷射等工業電子。

趨勢

陶瓷基板產品問世，開啟散熱套用行業的發展，由於陶瓷基板散熱特色，加上陶瓷基板具有高散熱、低熱阻、壽命長、耐電壓等優點，隨著生產技術、設備的改良，產品價格加速合理化，進而擴大LED產業的套用領域，如家電產品的指示燈、汽車車燈、路燈及戶外大型看板等。陶瓷基板的開發成功，更將成為室內照明和戶外亮化產品提供服務，使LED產業未來的市場領域更寬廣。