摘要: 散热基板是大功率电子元件散热的重要通道，其导热性能将直接影响功率型电子元件的可靠性和使用寿命。本文详细介绍了陶瓷作为高导热散热基板材料的表面金属化技术方案及发展现状，指出了各种金属化方案的关键技术难点，对比分析了各种陶瓷封装散热基板的特点和性能差异，并在此基础上预测了陶瓷基板的发展趋势。
散热问题逐渐成为制约电力电子产品向大功率、轻型化方向发展的瓶颈。电力电子元件中热量的不断积累，会使芯片结温逐渐升高，并产生热应力，导致寿命降低、色温变化等一系列可靠性问题。在功率型电子元件的封装应用中，散热基板不仅承担着电气连接和机械支撑的功能，同时也是热传递的重要通道。对于电力电子器件来说，封装基板应具有高的导热性、绝缘性和耐热性，以及与芯片相匹配的高强度和热膨胀系数。
目前市场上常见的散热基板主要是金属基板（MCPCB）和陶瓷基板。由于导热绝缘层的导热系数极低，MCPCB已越来越难以适应功率型电子元件的发展要求。陶瓷基板作为一种新兴的散热材料，其导热、绝缘等综合性能是普通MCPCB无法比拟的，而陶瓷基板的表面金属化是决定其实际应用的重要前提。
本文详细介绍了陶瓷基板表面金属化的技术和研究现状，阐述了各种金属化方案的原理，并指出了各个方案的关键技术控制点，以期为功率型LED陶瓷封装基板的选型提供技术参考。
烧结后，陶瓷基板的表面需要进行金属化处理，然后通过图像转移的方式制作表面图案，以实现陶瓷基板的电连接性能。表面金属化是陶瓷基板生产中至关重要的一环，因为高温下金属对陶瓷表面的润湿能力决定了金属与陶瓷之间的结合力，而良好的结合力是LED封装性能稳定的重要保证。
因此，如何在陶瓷表面实现金属化并提高其间的结合力成为众多科技研究者关注的焦点[4,5,6]。目前，陶瓷表面常见的金属化方法大致可分为共烧法（HTCC和LTCC）、厚膜法（TFC）、直接敷铜法（DBC）、直接敷铝法（DBA）和薄膜法（DPC）等几种形式[7,8]。
共烧多层陶瓷基板近年来受到广泛关注，因为它们可以通过使用厚膜技术将信号线和微线等无源元件嵌入到基板中来满足集成电路的许多要求[9]。
共烧方法有两种，一种是高温共烧（HTCC），另一种是低温共烧（LTCC）。两者的工艺流程基本相同。主要生产工艺为浆料制备、铸带、干燥生坯、钻通孔、丝印充孔、丝印线、叠层烧结及最终切片等后处理工序。将氧化铝粉与有机粘合剂混合形成浆料，然后用刮刀将浆料加工成片状。干燥后形成陶瓷生坯[10]。然后根据设计要求在生坯上加工导向孔并填充金属粉末。最后，将各层生坯在共烧炉中层压、烧结成型。虽然两种共烧方法的工艺过程大致相同，但烧结温度却有很大差异。 HTCC的共烧温度为1300~1600℃，而LTCC的烧结温度为850~900℃。造成这种差异的主要原因是LTCC烧结浆料中添加了降低玻璃材料烧结温度的成分，这是HTCC共烧浆料所没有的。虽然玻璃材料可以降低烧结温度，但基板的导热系数会显着降低[11,12,13]。
共烧陶瓷基板在提高组装密度、缩短互连长度、减少信号延迟、缩小体积和提高可靠性方面具有显着优势。共烧基板较常见的应用是在陶瓷浆料烧结中埋入各种无源器件，制成三维集成、互不干扰的高密度电路，在其表面贴装IC和有源器件，制成成功的集成模块，进一步缩小电路结构，提高集成密度，特别适用于高频通信器件[13]。但由于HTCC和LTCC均采用丝网印刷来完成图形制作，因此图形的尺寸精度和表面粗糙度受印刷工艺的影响较大。同时，贴合工艺也容易造成图形对位不准确，造成公差积累过多。而且，生坯在烧结过程中容易出现收缩不一致的情况，这在很大程度上限制了共烧工艺的应用[14,15]。
厚膜法是指采用丝网印刷的方法，将导电浆料直接涂覆在陶瓷基体上，然后高温烧结，使金属层牢固地附着在陶瓷基体上。厚膜导体浆料的选择是决定厚膜工艺的关键因素，它由功能相（即粒径小于2μm的金属粉末）、粘结相（粘结剂）和有机载体组成。常见的金属粉末有Au、Pt、Au/Pt、Au/Pd、Ag、Ag/Pt、Ag/Pd、Cu、Ni、Al和W等，其中以Ag、Ag/Pd和Cu浆料为主[16]。粘结剂一般为玻璃材料或金属氧化物或两者的混合物，其作用是连接陶瓷和金属，决定厚膜浆料对基体陶瓷的附着力，是厚膜浆料生产的关键。有机载体的作用主要是分散功能相和粘结相，同时保持厚膜浆料一定的粘度，为后续的丝网印刷做好准备，在烧结过程中会逐渐蒸发[17]。
目前，氧化铝厚膜电子浆料的研究已趋于成熟，而氮化铝厚膜电子浆料仍有较大的发展空间，这是由于大多数金属对氮化铝陶瓷的润湿性不理想所致[17]。为了提高厚膜生产过程中金属与氮化铝陶瓷之间的结合力，常用的方法有两种。一是采用玻璃材料作为键合相，使金属层与AlN层达到机械键合；二是添加能与AlN反应的物质作为键合相，通过与AlN反应实现化学键合。目前大多数氮化铝浆料玻璃粘结体系的主要成分是SiO2-B2O3，这是因为硅酸盐玻璃和硼酸盐玻璃对金属和氮化铝有良好的润湿作用。另外，硼酸盐玻璃的软化点较低，可以提高烧成速度，增强烧结后的密度。但硼酸盐的低软化点也会使其在达到金属化烧结温度之前就软化，使金属层不能与氮化铝陶瓷形成有效的网络交联结构。添加硅酸盐可以有效解决这个问题。同时，在玻璃相中添加适量的碱金属和碱土金属，可以进一步改善玻璃相的性能，因为碱金属或碱土金属可以使玻璃分化，降低玻璃的粘度。一般随着碱金属或碱土金属用量的增加，粘度会明显降低，有利于提高浆料的流动性，加速金属化和烧结。常用的碱金属或碱土金属包括Li2O、Na2O、K2O、BaO和PdO等[18,19]。另外，还可以添加一些能与氮化铝反应形成新相的物质，如Cr2O3、PdO、ZnO等，利用新相形成的反应结合力来提高金属化后浆料的结合强度。有人指出，一些硅、硼的碱土金属氧化物，以及锆、铁、铅、磷的氧化物，可以与AlN反应生成新物质[20,21]。例如，采用ZrB2结合相，由于反应过程中形成新相Al2O3·B2O3（硼尖晶石），金属化层与氮化铝陶瓷之间的结合力可高达24MPa，而且反应过程中生成的ZrO2还可加速AlN的氧化，从而促进反应。
TFC烧结后的金属层厚度一般为10~20μm，最小线宽为0.1mm。由于技术成熟、工艺简单、成本低廉，TFC已应用于图形精度要求不高的LED封装中。同时，TFC也存在图形精度低（误差为±10%）、涂层稳定性易受浆料均匀性影响、线路平整度较差（3μm以上）、附着力不易控制等缺点，其应用范围受到限制。
DBC是将铜箔粘合在陶瓷表面（主要是Al2O3和AlN）上的金属化方法，是随着板上芯片（COB）封装技术的兴起而发展起来的新工艺。其基本原理是在Cu与陶瓷之间引入氧，然后在1065~1083℃形成Cu/O共晶液相，然后与陶瓷基体和铜箔反应生成CuAlO2或Cu(AlO2)2，在中间相的作用下实现铜箔与基体的结合。由于AlN是一种非氧化物陶瓷，其表面包覆铜的关键是在其表面形成Al2O3过渡层，并在过渡层的作用下实现铜箔与基体陶瓷的有效结合[22]。
氧气的引入是DBC过程中非常关键的一步。氧化时间和氧化温度是该工艺中最重要的两个参数，对键合后陶瓷与铜箔之间的结合力有非常重要的影响。当氧化时间和氧化温度一定时，未经预氧化处理的Al2O3基体在与铜箔粘接过程中，由于氧难以渗透到铜箔与陶瓷基体的界面，Cu/O液相对基体的润湿性较差，最终会在界面上残留大量的孔洞和缺陷。基体经过预氧化后，在涂层的同时可以给予充足的供氧，因此Cu/O液相对陶瓷基体和铜箔具有良好的润湿性，界面空洞和缺陷显着减少，铜箔与基体之间的结合力也更加牢固。对于AlN来说，由于AlN是强共价键化合物，因此Cu/O液相的润湿性较差。当DBC铜应用于其表面时，必须通过表面改性来增强Cu/O液相对陶瓷基体的润湿性，以保证铜箔与基体的结合力。目前一般的做法是采用预氧化在AlN表面形成一定厚度、分散均匀、结构致密的Al2O3薄膜。由于氧化铝薄膜与铝硝基体的热膨胀系数不匹配，在室温下可能会因内应力的存在而使两相界面的结合力变差，因此薄膜的质量是后续镀膜成功与否的关键。一般来说，为了实现两者的有效结合，需要在保证氧化膜致密度的前提下，通过尽可能减小膜厚来降低AlN和Al2O3相之间的内应力。景敏等人。等人[23]对DBC工艺进行了系统研究，通过熔融NaOH对陶瓷表面进行粗化处理，得到了剥离强度在6.5N/mm以上、导热系数达到11.86W/(m·K)的DBC陶瓷基板。谢建军等. [24]采用DBC技术制备了Cu/Al2O3和Cu/AlN复合陶瓷基板材料。铜箔与AlN陶瓷基板之间的结合强度超过8.00N/mm，且铜箔与AlN陶瓷之间存在厚度约2μm的过渡层。其成分主要为Al2O3、CuAlO2和Cu2O化合物，Cu/AlN的界面结合强度随着结合温度的升高而逐渐增强。 AKara-Slimane 等人。 [25]采用DBC工艺在真空条件下制备氮化铝陶瓷基片，温度为1000℃，压力为4-12 MPa，剥离强度高达32 MPa。
铜箔具有良好的导电性和导热性，而氧化铝不仅导热性能好、绝缘性强、可靠性高，而且能有效控制CuAl2O3-Cu络合物的膨胀，使DBC陶瓷基板具有与氧化铝相似的热膨胀系数。已广泛应用于IGBT、LD、CPV的封装热管理。由于DBC热压粘合铜箔一般较厚，范围为100～600μm，因此具有较强的载流能力，在IGBT和LD封装领域具有明显优势[26]。
虽然DBC在实际工程应用中具有诸多优点，但也存在以下缺点：（1）DBC工艺需要在高温条件下引入氧元素使Cu与Al2O3共晶反应，对设备和工艺控制要求较高，衬底生产成本较高； (2)Al2O3与Cu层之间容易产生微孔，影响基体的耐热震性能； (3)DBC表面贴合铜箔厚度一般大于100μm，表面图案最小线宽一般大于100μm，不适合精细线路的制作。
直接镀铝法是利用液态铝对陶瓷具有良好的润湿性来实现两者的应用。当温度升至660℃以上时，固态铝液化，当液态铝润湿陶瓷表面时，随着温度的降低，铝直接在陶瓷表面提供晶核结晶生长，冷却至室温实现两者的结合。由于铝比较活泼，在高温条件下很容易氧化Al2O3薄膜并存在于铝液表面，大大降低了铝液在陶瓷表面的润湿性，难以实现应用，因此必须在应用前或无氧条件下应用时除去。彭荣等人。 [23,27]采用石墨压铸方法，通过压力将纯液态铝沉积在Al2O3基体和AlN基体表面，Al2O3薄膜因缺乏流动性而残留在模具型腔中。冷却后，DAB 基材制备出声音涂层。
由于液态铝在陶瓷表面的润湿性是DAB成败的关键，因此国内外学者针对润湿性开展了大量的研究工作。 KaraSlimane[25]在使用铝作为中间层粘合AlN/Al/Fe时指出，在涂覆过程中必须施加一定的压力，以打破液态铝表面出现的Al2O3层，从而实现氮化铝和铁对铝的有效涂覆。以上考虑的是物理涂层，即铝/陶瓷界面处不发生化学反应，因此铝与陶瓷之间的结合强度取决于两者之间粗糙度增加引起的机械锁定配合，且结合力相对DBC较小。但两者结合后无第二相生成，与DBC相比具有界面应力低、界面导热率高的优点。在镀铝之前，对陶瓷进行表面处理以增加镀层强度是非常关键的工艺环节。
Imai[28]发现陶瓷基体表面粗糙度极大地影响涂层性能，保持一定的粗糙度是提高涂层强度的必要条件。因此，如何处理陶瓷基体以改变其粗糙度是提高铝与陶瓷结合强度的关键。林等人。 Wang等[29]研究了Al2O3/Al/Al2O3的键合温度和性能，制备了1100℃键合强度高、导热系数达到32 W/(m·K)的DAB基板。景敏等人。 [23]首先通过在Al2O3基体上烧结Cu2O形成稳定的Cu Al2O4相，并在1 000℃下通过H2还原在基体表面形成铜膜。最后在真空环境下通过活性金属镁和碳粉保护来隔离氧气和金属铝的接触。采用760℃共晶涂层制备了Al/Al2O3结合强度高达11.9 MPa的DAB陶瓷基体。
DAB陶瓷基板具有良好的热稳定性，与同结构的DBC相比质量可减少44%，铝丝键合能力好，铝/陶瓷之间的热应力比较小，近年来发展迅速。 Al2O3-DAB基板和AlN-DAB基板具有优异的导热特性、良好的抗热震疲劳性能、优异的热稳定性、轻的结构重量和良好的铝线键合能力。基于DAB基板的功率器件模块已成功应用于日本汽车行业。目前国内外对于DAB技术已经做了大量的研究工作，但对铝/陶瓷界面细节的研究还不够深入[4]。由于对氧含量的严格限制，DAB对设备和工艺控制要求较高，基板生产成本较高。而表面贴合铝的厚度一般在100μm以上，不适合精细线路的制作，其推广应用因此受到限制。
薄膜法是通过物理气相沉积（真空蒸镀、磁控溅射等）在陶瓷表面形成金属层，然后通过掩模和蚀刻形成金属线路层的工艺。其中，物理气相沉积是最常见的薄膜制造工艺[30]。
物理气相沉积是通过蒸发或溅射的方法在陶瓷表面形成一层3~5μm的金属薄膜，作为陶瓷基体的导电层。由于铜层和陶瓷层的热循环失效，界面结合强度成为DPC基板的技术瓶颈。陶瓷与金属薄膜的结合力、金属薄膜与芯片的焊接性能以及金属薄膜本身的导电性能是衡量薄膜质量的三个重要指标。金属薄膜与氮化铝之间的结合力决定了薄膜工艺陶瓷基板的实用性和可靠性，而结合力受范德华力、化学结合力、扩散附着力、机械锁定、静电引力和薄膜本身内应力的影响，其中扩散附着力和化学结合力是主要因素。因此，需要选择活性高、扩散性能好的Al、Cr、Ti、Ni、Cu等金属作为过渡层。导电层承担电连接和焊接的功能，因此需要选择电阻率低、耐高温、化学性质稳定、扩散系数小的Au、Cu、Ag等金属材料[31]。张学斌[32]研究了DPC陶瓷基体的制备工艺，结果表明采用W/Ti合金作为过渡层可以提高结合强度。当过渡层厚度为200 nm时,所制备的薄膜Al2O3陶瓷基板的结合强度大于97.2N。此外，除了采用物理气相沉积的方法制备薄膜外，还有学者采用化学镀的方法在陶瓷表面获得了铜薄膜。薛胜杰等.重庆大学的文献[13]利用化学镀方法优化了各种工艺参数。制备了结合力为18.45 N、电导率为2.65×10^6 S/m、沉积速率为0.026 g/(s·cm2)、热导率为147.29 W/(m·K)的Al N薄膜陶瓷基板。
与其他陶瓷表面金属化方法相比，DPC工艺的工作温度较低，一般在300℃以下，降低了制造工艺成本，有效避免了高温对材料的不利影响。 DPC基板采用黄光英技术生产图形电路，线宽可控制在20~30μm，表面平整度可达到3μm以下，图形精度误差可控制在±1%以内，非常适合电路精度要求较高的电子器件封装。特别是，通过激光对DPC基板进行开孔、填铜通孔后，可以实现陶瓷基板上下表面互连，满足电子器件的三维封装要求。 DPC不仅减小了封装体积，还有效提高了封装集成度。 DPC陶瓷基板虽然具有上述优点，但也存在电镀沉积铜层厚度有限、电镀废液污染大、金属层与陶瓷结合强度低、产品应用可靠性低等缺点。
功率型电子封装散热基板除了具有电连接和散热功能外，还需要具有一定的绝缘、耐热、耐压和热匹配性能。由于陶瓷基板具有优异的导热性能和绝缘性能，在电力电子元件的封装应用中具有突出的优势，是未来电力电子封装散热基板的主要发展方向之一[33]。 LTCC、HTCC、TFC、DBC、DBA、DPC工艺陶瓷基板的主要特性如表1所示。
表1 各种陶瓷基板的主要特性及性能比较
截至目前，Cree、Osram、Philips和Nichia等国际顶尖厂商以及国内江西晶锐、一美新光、虎城科技、佛山国兴、深圳瑞丰、广州鸿利、宁波胜普等企业均已推出陶瓷封装电力电子产品。目前，由于技术能力限制，陶瓷基板的制造成本仍然较高。但可以预见，随着技术瓶颈的不断突破和封装集成度的不断提高，陶瓷基板的市场接受度将日益提高，采用陶瓷作为封装基板的电力电子产品将日益丰富。
陶瓷基板具有较低的热膨胀系数、良好的导热性能和绝缘性能，已成为业界公认的最有前途的散热基板材料。在某些情况下，它正在逐渐取代金属基板，成为大功率电子元件散热的首选热管理解决方案[34]。
如上所述，目前应用于大功率电子元件封装的陶瓷基板制造技术共有HTCC、LTCC、TFC、DBC、DAB、DPC六种，其中HTCC工艺中的金属粉末主要是钨、钼、锰等熔点高但导电性差的金属，其生产成本较高，因此一般较少采用。 LTCC工艺由于浆料中添加了低导热系数的玻璃材料，其导热系数仅为2~3 W/(m·K)，与普通MCPCB相比优势并不明显。同时，HTCC和LTCC的线路图形采用厚膜（TFC）技术制作，存在表面粗糙、对位不准确的缺点。此外，在烧结过程中，还存在陶瓷生坯收缩不一致的问题，这使得共烧陶瓷的工艺分辨率受到一定程度的限制，推广应用也面临着巨大的挑战。
由于DBC工艺中液相铜在陶瓷表面润湿性较差，需要在高温条件下引入氧元素来实现铜箔与基体陶瓷的涂覆，且界面表面易产生微孔，对设备和技术要求较高，目前仍是国内外研究人员研究的重点。 DAB工艺中的铝在高温下容易氧化，会影响液态铝在陶瓷表面的润湿性，且应用需要在无氧条件下进行，因此对设备和技术的要求也比较苛刻，目前尚未实现大规模产业化。目前，西方发达国家、日本、韩国拥有DBC和DAB的技术和市场优势。国内一些科研机构也针对DBC和DAB开展了一些研究工作并取得了一定的技术突破，但与国际先进水平相比仍有一定差距，产品主要应用于IGBT（绝缘栅双极型二极管）和LD（激光二极管）等功率器件封装。由于DBC和DAB的导电层较厚，两种基板应用于LED封装的优势并不明显。
DPC工艺通过在陶瓷表面引入过渡层金属，解决了铜箔对陶瓷表面润湿性差的问题，在保证导电层与陶瓷基板结合力的前提下，成功实现了陶瓷表面的金属化。 DPC陶瓷基板不仅具有优异的导电性能，而且具有较高的线路精度和表面光滑度，非常适合LED熔覆和共晶工艺LED封装，并且在生产规模上已实现产业化，是目前最能满足LED向高功率、高光密度和小尺寸方向发展的陶瓷封装散热基板。目前，中国台湾地区在DPC核心技术上占据垄断地位，占全球产品市场份额的80%，是德国Cree、Lumileds、Osram等半导体照明行业巨头陶瓷冷却基板的主要供应商。如今，随着研发力度的不断加大，大陆的DPC基板技术也取得了突破，在一定程度上也能满足大功率LED封装对散热的需求。
在制造工艺技术瓶颈不断突破的背景下，陶瓷基板的脆性已是不争的事实，如何利用其优异的导热性能为快速发展的LED产业提供散热管理解决方案，避免在生产和使用过程中因脆性过大而产生裂纹也是不可忽视的现实问题。乐建科技（珠海）有限公司采用激光切割或砂轮切割将大块陶瓷切割成多个小块，并选择性地植入到FR4结构中，利用压制工艺将陶瓷和FR4结合在一起，形成复合散热结构。其中，陶瓷作为芯片的散热通道，使电子元件在工作过程中产生的热量能够沿着陶瓷快速扩散到外界，从而避免因散热不良而导致元件可靠性下降，导致过早失效的风险，如图1和图2所示。这种设计既保留了陶瓷的散热功能，又解决了陶瓷易碎的问题。同时可以在FR4上实现机械加工，大大降低了切割纯陶瓷的高昂成本。目前，这种复合基板材料已在大功率LED、IGBT等领域得到一定规模的应用。
散热是电力电子元件发展的关键技术问题。鉴于高功率、小尺寸、轻量化已成为未来电力电子元件封装的发展趋势，陶瓷基板除了具有优异的导热特性外，还具有良好的绝缘、耐热、耐压以及与芯片良好的热匹配性能，已成为中高端电力电子元件封装散热的首选。陶瓷基板表面金属化工艺是实现陶瓷在电力电子元件封装中应用的重要环节。金属化方法决定陶瓷基板的性能、制造成本、产品良率和应用范围。
1.陶瓷基板的用途是什么？
陶瓷基板具有优良的导热性能和绝缘性能，主要用作大功率电子元件、LED、IGBT和激光二极管（LD）的散热封装基板，承担电气连接、机械支撑和传热等功能。
2.陶瓷基板可以表面金属化吗？
是的。表面金属化是陶瓷基板工程化应用的前提。主流工艺包括共烧法（HTCC/LTCC）、厚膜法（TFC）、直接键合铜（DBC）、直接键合铝（DAB）、直接镀铜（DPC）等。金属层实现了陶瓷的导电性和可焊性。
3.陶瓷基片表面金属化的研究现状如何？
目前的研究重点是提高金属陶瓷结合强度和解决界面润湿问题，以及优化不同工艺的参数。国外在DBC、DAB技术方面具有优势；中国台湾地区垄断了DPC核心技术，中国大陆也取得了技术突破。
4.陶瓷基板表面金属化的发展趋势是什么？
趋势包括精细化（用于高精度封装的DPC）、降低成本以及复合基板的研发。同时，突破DBC/DAB的工艺壁垒，将推动陶瓷基板在大功率LED、IGBT领域的大规模应用。
5.陶瓷基板的表面金属化如何影响产品性能？
表面金属化直接决定金属陶瓷结合力，进而影响电子元件的散热效率、可靠性和使用寿命。另外，工艺精度决定了电路精度，满足高精度三维封装的要求。
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