DPC陶瓷基板及其關鍵技術

DPC陶瓷基板及其關鍵技術對于電子器件而言，通常溫度每升高10°C，器件有效壽命就降低30%~50%。因此，選用合適的封裝材料與工藝、提高器件散熱能力就成為發(fā)展功率器件的技術瓶頸。1.陶瓷基板材料良好的器件散熱依賴于優(yōu)化的散熱結(jié)構(gòu)設計、封裝材料選擇（熱界面材料與散熱基板）及封裝制造工藝等。其中，基板材料的選用是關鍵環(huán)節(jié)，直接影響到器件成本、性能與可靠性。目前，陶瓷基板由于其良好的導熱性、耐熱性、絕緣性、低熱膨脹系數(shù)和成本的不斷降低，在電子封裝特別是功率電子器件如IGBT（絕緣柵雙極晶體管）、LD（激光二極管）、大功率LED（發(fā)光二極管）、CPV（聚焦型光伏）封裝中的應用越來越廣泛。陶瓷基板材料主要有Al2O3、BeO、AlN、Si3N4、SiC等。1.1

氧化鋁Al2O3陶瓷基板由于價格低廉、力學性能較好，而且工藝技術純熟，是目前應用最為廣泛的陶瓷基板材料。但是Al2O3陶瓷的熱導率相對較低（24W/(m·K）），在一定程度上限制了其在大功率電子產(chǎn)品中的應用。1.2

氧化鈹BeO陶瓷導熱性能優(yōu)良，綜合性能良好，能夠滿足較高的電子封裝要求，但是其熱導率隨溫度波動變化較大，溫度升高其熱導率大幅下降。1.3

碳化硅SiC陶瓷具有很高的熱導率，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是強共價鍵化合物，燒結(jié)溫度高達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，導致SiC陶瓷基板制備能耗大，生產(chǎn)成本較高。1.4氮化硅Si3N4陶瓷的熱導率與抗彎強度較高，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)展前景的高熱導率高強度陶瓷基板材料。1.5

氮化鋁AlN陶瓷作為一種新型的封裝基板材料，具有熱導率高（其理論熱導率可達320W/(m·K）)、強度高、熱膨脹系數(shù)低、介電損耗小、耐高溫及化學腐蝕，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。2.什么是DPC陶瓷基板DPC又稱直接鍍銅陶瓷基板。其制作首先將陶瓷基片進行前處理清洗，利用真空濺射方式在基片表面沉積Ti/Cu層作為種子層，接著以光刻、顯影、刻蝕工藝完成線路制作，最后再以電鍍/化學鍍方式增加線路厚度，待光刻膠去除后完成基板制作。DPC基板制備工藝流程圖

3.DPC基板的優(yōu)點與不足3.1

優(yōu)點（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，使基板上的金屬線路更加精細（線寬尺寸20~30μm，表面平整度低于0.3μm，線路對準精度誤差小于±1%），因此DPC基板非常適合對準精度要求較高的電子器件封裝。

3.2

不足

（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)合強度較低，產(chǎn)品應用時可靠性較低；

（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。

4.DPC基板的關鍵技術4.1

金屬線路層與陶瓷基片的結(jié)合強度由于金屬與陶瓷間熱膨脹系數(shù)差較大，為降低界面應力，需要在銅層與陶瓷間增加過渡層，從而提高界面結(jié)合強度。由于過渡層與陶瓷間的結(jié)合力主要以擴散附著及化學鍵為主，因此常選擇Ti、Cr和Ni等活性較高、擴散性好的金屬作為過渡層(同時作為電鍍種子層)。4.2

電鍍填孔電鍍填孔也是DPC陶瓷基板制備的關鍵技術。目前DPC基板電鍍填孔大多采用脈沖電源，其技術優(yōu)勢包括：易于填充通孔，降低孔內(nèi)鍍層缺陷；表面鍍層結(jié)構(gòu)致密，厚度均勻；可采用較高電流密度進行電鍍，提高沉積效率。5.DPC基板的應用5.1.

IGBT封裝絕緣柵雙極晶體管以輸入阻抗高、開關速度快、通態(tài)電壓低、阻斷電壓高等特點，成為當今功率半導體器件發(fā)展主流。其應用小到變頻空調(diào)、靜音冰箱、洗衣機、電磁爐、微波爐等家用電器，大到電力機車牽引系統(tǒng)等。由于IGBT輸出功率高，發(fā)熱量大，因此對IGBT封裝而言，散熱是關鍵。目前IGBT封裝主要采用DBC陶瓷基板，原因在于DBC具有金屬層厚度大，結(jié)合強度高(熱沖擊性好)等特點。5.2

LD封裝激光二極管(LD)又稱半導體激光器，是一種基于半導體材料受激輻射原理的光電器件，具有體積小、壽命長、易于泵浦和集成等特點。廣泛應用于激光通信、光存儲、光陀螺、激光打印、測距以及雷達等領域。溫度與半導體激光器的輸出功率有較大關系。散熱是LD封裝關鍵。由于LD器件電流密度大，熱流密度高，陶瓷基板成為LD封裝的首選熱沉材料。5.3

LED封裝縱觀LED技術發(fā)展，功率密度不斷提高，對散熱的要求也越來越高。由于陶瓷具有的高絕緣、高導熱和耐熱、低膨脹等特性，特別是采用通孔互聯(lián)技術，可有效滿足LED倒裝、共晶、COB(板上芯片)、CSP(芯片規(guī)模封裝)、WLP(圓片封裝)封裝需求，適合中高功率LED封裝。5.4

光伏(PV)模組封裝光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應原理，利用太陽能電池將太陽光直接轉(zhuǎn)化為電能。由