陶瓷表面金属化方法及应用领域

表面金属化对陶瓷基板的制作而言是至关重要的一环，这是因为金属在高温下对陶瓷表面的润湿能力决定了金属与陶瓷之间的结合力，良好的结合力是 LED封装性能稳定性的重要保证。因此，如何在陶瓷表面实施金属化并改善二者之间的结合力成为众多科技人员研究的重点。目前，陶瓷表面常见的金属化方法大致可以分为共烧法( HTCC 和 LTCC) 、厚膜法( TFC) 、直接敷铜法( DBC) 、直接敷铝法( DBA) 及薄膜法( DPC) 等几种形式。

共烧多层陶瓷基板因利用厚膜技术将信号线、微细线等无源元件埋入基板中能够满足集成电路的诸多要求，在近几年获得了广泛的关注。共烧法有两种，一种是高温共烧( HTCC) ，另一种是低温共烧( LTCC) ，两者工艺流程基本相同，主要生产工艺流程均为浆料配制、流延生带、干燥生坯、钻导通孔、网印填孔、网印线路、叠层烧结以及最后的切片等后处理过程。共烧陶瓷基板在增加组装密度、缩短互连长度、减少信号延迟、减小体积、提高可靠性等方面具有显著的优势。

厚膜法是指采用丝网印刷的方式，将导电浆料直接涂布在陶瓷基体上，然后经高温烧结使金属层牢固附着于陶瓷基体上的制作工艺。

TFC 烧结后的金属层厚度一般为 10 ～ 20 μm，最小线宽为 0. 1 mm。由于技术成熟，工艺简单，成本较低，TFC 在对图形精度要求不高的 LED 封装中得到一定应用。同时，TFC 因存在着图形精准度低( 误差为± 10%) 、镀层稳定性易受浆料均匀性影响、线面平整度不佳( 3 μm 以上) 及附着力不易控制等缺点，使其应用范围受到了一定的限制。

DBC 是在陶瓷表面( 主要是 Al2O3 和 AlN) 键合铜箔的一种金属化方法，它是随着板上芯片( COB) 封装技术的兴起而发展出来的一种新型工艺。

虽然 DBC 在实际工程运用中存在许多优势，但同时也存在如下不足: ( 1) DBC 工艺需要在高温条件下引入氧元素使Cu 与 Al2O3 发生共晶反应，对设备和工艺控制要求较高，基板制作成本较高; ( 2) Al2O3 与 Cu 层之间容易产生微气孔，基板抗热冲击性能会受影响; ( 3) DBC 表面键合铜箔厚度一般在 100 μm 以上，表面图形最小线宽一般大于 100 μm，不适合精细线路的制作。

薄膜法是主要采用物理气相沉积( 真空蒸镀、磁控溅射等) 等技术在陶瓷表面形成金属层，再采用掩膜、刻蚀等操作形成金属电路层的工艺过程。其中物理气相沉积是最常见的薄膜制造工艺。

与其他陶瓷表面金属化方法相比，DPC 工艺操作温度低，一般在 300 ℃以下，降低了制造工艺成本，同时有效避免了高温对材料的不利影响。DPC 不仅降低了封装体积，还能有效提高封装集成度。DPC 陶瓷基板虽具有上述诸多优点，但是也存在着诸如电镀沉积铜层厚度有限，且电镀废液污染大、金属层与陶瓷间的结合强度较低，产品应用时可靠性较低等不足。

直接敷铝法是利用铝在液态下对陶瓷有着较好的润湿性以实现二者的敷接。当温度升至 660 ℃ 以上时，固态铝发生液化，当液态铝润湿陶瓷表面后，随着温度的降低，铝直接在陶瓷表面提供的晶核结晶生长，冷却到室温实现两者的结合。

DAB 陶瓷基板热稳定性良好，与同结构的 DBC 相比质量可减轻 44%，铝线键合能力佳，铝/陶瓷之间的热应力也相对较小，近年来发展迅速。Al2O3-DAB 基板及 AlN-DAB 基板具有优异的导热特性、良好的抗热震疲劳性能、出色的热稳定性及结构质量轻和良好的铝线键合能力。

电力电子技术是现代高效节能技术，是弱电控制与被控制强电之间的桥梁，是在非常广泛的领域内支持多项高技术发展的基础技术。电力电子技术发展的基础在于高质量器件的出现，后者的发展又必将对管壳提出更高更多的要求。

图1 氧化铝陶瓷真空开关管壳

在射频/微波领域，氮化铝陶瓷基板具有其它基板所不具备的优势：介电常数小且介电损耗低、绝缘且耐腐蚀、可进行高密度组装。其覆铜基板可应用于射频衰减器、功率负载、工分器、耦合器等无源器件、通信基站(5G)、光通信用热沉、高功率无线通讯、芯片电阻等领域。

图2 AIN基板覆铜在微波领域应用

继电器是仅次于电子传感器在汽车产品上应用最多的汽车电子元器件之一，其广泛用于控制汽车启动、空调、灯光、油泵、通讯、电动门窗、安全气囊以及汽车电子仪表和故障诊断等系统，继电器所用的陶瓷金属化其部分产品见图3。

图3 (a) 陶瓷继电器外壳，(b) 陶瓷密封连接器

陶瓷壳体绝缘密封高压高电流电路断闭产生的火花并连接电源，高压直流继电器带载开断时，产生电弧，由于受到陶瓷的冷却和表面吸附作用，使电弧迅速熄灭。杜绝汽车电路因电弧引发的短路起火，保证整车的安全性能和使用寿命。

图4 (a) 覆铜基板，(b) IGB斯T模块内部结构

目前，国内高铁上IGBT模块，如图4(b)所示，主要使用的是由丸和提供的氮化铝陶瓷基板，随着未来高导热氮化硅陶瓷生产成本的降低，或将逐渐替代氮化铝。氮化硅陶瓷覆铜板因其可以焊接更厚的无氧铜以及更高的可靠性，在未来电动汽车用高可靠功率模板中应用广泛。美国罗杰斯公司生产的氮化硅覆铜板已应用于电动汽车上的IGBT模块。

氮化铝陶瓷基板由于其具有高导热性、散热快且成本相对合适的优点，受到越来越多的LED制造企业的青睐，广泛的应用于高亮度LED封装、紫外LED等。LED封装用陶瓷基板因其绝缘、耐老化、可在很小单位面积上固装大功率芯片，拥有了小尺寸大功率的优势。图5示出氮化铝覆铜板及在LED领域中的应用。