陶瓷覆铜基板的现状与发展分析
陶瓷覆铜基板的现状与发展分析
作者：芯舟电子 2019-12-9
陶瓷覆铜基板具有优异的导热性、绝缘性、机械性能，广泛应用于功率电子、电子封装、混合微电子与多芯片模块等领域，本文主要介绍了陶瓷基板的研究、生产、应用的现状及今后的发展方向。
1、 树脂复合材料和陶瓷材料的比较
PCB板基材尤其是环氧树脂，由于比较好的经济性，在整个电子市场的占据统治地位，但是许多特殊领域比如高温、线胀系数不匹配、稳定性、机械性能等方面显然不适合，即使在环氧树脂中添加大量有机溴化物也无济于事。
相对于树脂复合材料，陶瓷材料也在电子工业扮演者重要的角色，其电阻高，高频特性突出，且具有热导率高、化学稳定性佳、热稳定性和熔点高等优点。在电子线路的设计和制造非常需要这些性能，因此陶瓷被广泛用于不同厚膜、薄膜或和电路的基板材料，还可以用作绝缘体，在热性能要求苛刻的电路中做导热通路以及用来制造各种电子元件。
2、 各种陶瓷材料的比较
2.1 Al2O3
到目前为止，氧化铝基板是电子工业中最常用的基板材料，因为在机械、热、电性能上，相对于大多数其他氧化物陶瓷，强度及化学稳定性高，且原料来源丰富，价格便宜，适用于各种各样的技术制造以及不同的形状要求。
2.2 BeO
具有比金属铝还高的热导率，应用于需要高热导的场合，但温度超过300℃后迅速降低，
最重要的是由于其毒性限制了自身的发展。
2.3 AlN
AlN有两个非常重要的性能优点：一个是高的热导率，一个是与Si相匹配的膨胀系数。缺点是AlN陶瓷材料本身的机械强度较差。只有对材料和工艺进行针对性深度开发，才能制造出可靠性（耐高低温冲击性能）优异的AlN陶瓷覆铜基板。目前大规模的AlN生产技术国内还是不成熟，相对于Al2O3，AlN价格相对偏高，但性价比来讲，AlN还是高出许多，因为Al2O3（96%）的导热率只有29W/M*K（25℃），而AlN热导率高达180W/M*K（25℃）。因此，对于即将兴起和快速发展的物联网、人工智能、5G、电力电子、轨道交通、新能源汽车等行业所需要的大功率电子器件，特别是大功率IGBT模块，它们需求性能更好、散热要求更高的新技术和新材料，那么具有高导热性能、高可靠性的氮化铝陶瓷基板必将成为首选材料。
3、基板种类及其特性比较
现阶段较普遍的陶瓷散热基板种类共有HTCC、LTCC、DBC、DPC、AMB五种。其中HTCC，高温共烧多层陶瓷基板，属于较早起发展的技术，但由于烧结温度较高使其电极材料的选择受限，且制作成本相对昂，这些因素促使LTCC的发展，LTCC，低温共烧多层陶瓷基板，虽然将共烧温度降至约850℃，但缺点是尺寸精确度、产品强度不易控制。而DBC与DPC则为国内近几年才开发成熟，且能量产化的专业技术。DBC是利用高温加热将Al2O3与Cu板结合，其技术瓶颈在于不易解决Al2O3与铜交界面之间的微气孔问题，这使得该产品的量产能量与良率受到较大的挑战，直接影响覆铜基板的导热性能和可靠性能（耐高低温冲击性能）。而DPC技术则是直接镀铜技术，将Cu沉积于Al2O3基板之上，其工艺结合材料与薄膜工艺技术，起产品为近年最普遍使用的陶瓷散热基板。但是受限于工艺特性，其铜片剥离强度和可靠性（耐高低温冲击性能）却不十分理想，只能应用于低功率的电子器件。
深圳市芯舟电子科技有限公司，为了弥补以上各工艺缺陷，综合各工艺优势的新工艺，提出了一项新的技术路线。公司以北京科技大学材料研究为基础，投资2000余万元，经过多年研究，在活性金属钎焊（AMB）陶瓷覆铜基板工程化制造领域取得突破，并建成投产现代化生产线1条，每月产能2万余片，约400万平方厘米。
深圳市芯舟电子科技有限公司，推出的高可靠性（Hi-Rel）氮化铝、氮化硅陶瓷覆铜基板产品，是区别于，并优于DBC（陶瓷与铜直接键合技术）的一项开创性技术。关键技术在于：活性金属层，实现了无机陶瓷材料与高纯无氧铜的致密焊接，具有高抗剥离强度（＞15N/mm）,高耐热冲击性能。所有产品验证阶段，都经过了最严格的国军标GJB548B-2005-1010（条件C，-65℃↔+150℃)冷热循环测试。产品性能达到了国际同类产品前列。芯舟公司高性能陶瓷基板具体具有以下特性：
1、更高的可靠性（耐高低温冲击性能）
2、更匹配的热膨胀系数.
3、更薄（＜25μm）、更牢、更低阻的活性金属焊接层
4、使用温度范围宽（-55-800℃）
5、绝缘性好（陶瓷击穿强度＞15KV/mm）
6、高频损耗小
7、不含有机成分，耐宇宙射线，在航空航天方面可靠性高，使用寿命长
8、采用进口高纯无氧铜，氧含量＜0.003%，杂质含量＜0.03%，更好的载流导热性能
9、基板的可焊性好
10、通过对铜线路表面进行的特殊处理，可以满铝线超声键合的工艺及强度要求。
4、 陶瓷基板（陶瓷覆铜板）的发展趋势
在大功率、高密度封装中，电子元件及芯片等在运行过程中产生的热量主要通过陶瓷基板散发到环境中或者强制降温，所以陶瓷基板在散热过程中担当了重要角色。Al2O3陶瓷导热率相对较低，在大功率、高密度封装器件运行时须强制散热才可满足要求。相比较，芯舟公司的氮化硅和ALN陶瓷基板，给用户提供了更多优秀的选择方案：AlN陶瓷基板具有高的导热性能，适用于大功率半导体基片，在散热过程中自然冷却即可达到目的，同时还具有很好的机械强度、优良的电气性能。但目前国内AlN陶瓷片生产技术和性能全面落后于日本等发达国家，芯舟电子采用进口的高性能AlN陶瓷片制造的AMB氮化铝陶瓷基板造价格成本略高，但综合性价比非常高。随着5G、大数据、人工智能行业、轨道交通、能源电力的快速发展和需求，AlN陶瓷基板应用于大功率半导体模块，特别是下一代的大功率IGBT模块，必将是大势所趋。
芯舟公司的氮化硅陶瓷基板，具有非常优异的机械强度，使用非常薄的氮化硅基板（厚度0.32mm）, 可以使得基板具有非常低的热阻率，同时，仍然具有非常高的可靠性能（耐高低温冲击性能）。是大功率的新能源汽车电子、电力电子、航空航天等要求非常高可靠性的电子模块的首选封装基板。
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公司主营业务：主要经营，高性能氮化铝、氮化硅、氧化铝、ZTA增强氧化铝陶瓷基板、陶瓷覆铜板的研发、生产、销售和服务。公司具有国际领先的AMB（Active Metal Bonding，活性金属钎焊）陶瓷覆铜板生产技术和产品，具有陶瓷覆铜板图形化蚀刻，表面镀镍、金、银，表面OSP及阻焊、过孔、激光切割等全套生产能力和解决方案。公司拥有高级人才队伍，名知名院校博士，长期从事高性能陶瓷基板的技术研发。目前，公司通过了ISO9001质量认证，IATF16949筹备认证中。我们在技术开发、市场营销、产品售后服务等方面拥有丰富的管理经验，选择我们，值得您信赖！