摘要：散热底物是高功率电子组件热量耗散的重要通道，其导热率将直接影响功率型电子组件的可靠性和使用寿命。本文详细介绍了陶瓷表面金属化的技术方案和开发状态，作为具有高温导电性的热隔离基板材料，指出了各种金属化方案的关键技术困难，比较和分析各种陶瓷的特征和性能差异在此基础上，包装热量排放的底物，并预测陶瓷底物的开发趋势。
0。随着电子技术的持续进展的引言，散热问题逐渐成为一种瓶颈，限制了朝着高功率和光线方向发展的电力电子产品的发展。电力电子组件中热量的连续积累将逐渐增加芯片连接温度并产生热应力，从而导致一系列可靠性问题，例如寿命降低和色温变化。在功率类电子组件的包装应用中，冷却基板不仅具有电连接和机械支持的功能，而且还具有热传输的重要通道。对于电力电子设备，包装基板应具有高热导率，绝缘和耐热性，以及与芯片相匹配的高强度和热膨胀系数。
目前，市场上的常见热量耗散底物主要是金属底物（MCPCB）和陶瓷底物。由于热绝缘层的热导率极低，因此MCPCB变得越来越难以适应电源类电子组件的开发需求。陶瓷底物是一种新兴的热量耗散材料，其全面的性能（例如导热率和绝缘材料）是普通的MCPCB无与伦比的，并且陶瓷底物的表面金属化是确定其实际应用的重要先决条件。
在本文中，详细介绍了陶瓷基材表面金属化的技术和研究状态，并描述了各种金属化方案的原理，并指出了每个方案的关键技术控制点，以便为该方案提供技术参考功率类型LED陶瓷包装基板的选择。
1。陶瓷表面金属化的研究状态
烧结后，需要将陶瓷底物的表面进行金属化，然后通过图像传递制成表面图案，以实现陶瓷底物的电连接性能。表面金属化是陶瓷底物生产的关键部分，因为陶瓷表面高温下金属的润湿能力决定了金属和陶瓷之间的结合力，而良好的结合力是稳定性的重要保证LED包装性能。
因此，如何在陶瓷表面上实施金属化并改善它们之间的粘结力已成为许多科学和技术研究人员的重点[4,5,6]。目前，陶瓷表面上的常见金属化方法可以大致分为几种形式，例如联合方法（HTCC和LTCC），厚膜方法（TFC），直接应用铜法（DBC），直接应用铝方法（DBA）和薄膜方法（DPC）[7,8]。
1.1联合方法（HTCC/LTCC）
近年来，共同燃烧的多层陶瓷基材已引起广泛关注，因为它们可以通过使用厚膜技术将被动组件（例如信号线和微管）嵌入被动组件（例如信号线和微管）来满足综合电路的许多要求[9]。
有两种联合射击方法，一种是高温共同开火（HTCC），另一种是低温共同开火（LTCC）。两者的过程流基本上是相同的。主要的生产过程是浆液制备，铸造条，干燥的绿色空白，钻孔，丝网印刷填充孔，丝网印刷线，层压烧结和最终切片以及其他后处理过程。混合氧化铝粉和有机粘合剂形成浆液，然后将浆料加工成带刮刀的薄片。干燥后，形成陶瓷绿色的坯料[10]。然后，根据设计要求在绿色方坯上处理飞行孔，并填充金属粉。最后，每一层绿色的坯料都被层压，烧结并在共同开火的炉中形成。尽管两种共同射击方法的过程大致相同，但烧结温度却大不相同。 HTCC的共射程温度为1300〜1600℃，而LTCC的烧结温度为850〜900℃。造成这种差异的主要原因是添加了LTCC烧结浆，以降低玻璃材料的烧结温度，而玻璃材料的烧结温度不在HTCC共同燃烧的泥浆中。尽管玻璃材料可以降低烧结温度，但可以显着降低底物的热电导率[11,12,13]。
共焊接陶瓷底物在增加的组装密度，缩短互连长度，减少信号延迟，减少体积和提高可靠性方面具有显着优势。共同燃烧的基材的更常见应用是将各种被动设备埋在陶瓷酱烧结中，以使三维集成和非交换高密度电路，IC山和主动设备在其表面上取得成功，使成功的集成模块，进一步降低电路结构，改善集成密度，特别适用于高频通信组件[13]。但是，由于HTCC和LTCC都使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到打印过程的极大影响。同时，层压过程也很容易导致图形对齐不准确，从而导致过度公差积累。此外，绿色的坯料容易在烧结过程中不一致的收缩，这在很大程度上限制了共同冲击过程的应用[14,15]。
1.2厚膜陶瓷（TFC）方法
厚膜方法是指丝网印刷的方法，导电糊直接涂在陶瓷基质上，然后在高温下烧结，以使金属层牢固地连接到陶瓷基质上。厚膜导体糊的选择是确定厚膜过程的关键因素，该过程由功能相（即粒径小于2μm的金属粉末）组成，粘结相（粘合剂）和有机载体组成。常见的金属粉包括AU，PT，AU/PT，AU/PD，AG，AG/PT，AG/PD，Cu，Cu，Ni，Al和W，其中Ag，Ag/Pd和Cu Slurry是多数的[16] 。粘合剂通常是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，并确定厚膜泥浆的粘附到基质陶瓷，这是厚产生的关键。电影浆。有机载体的功能主要是分散功能阶段并结合相位，同时保持厚膜泥浆的一定粘度，以准备后续的筛选打印，这将在烧结过程中逐渐蒸发[ 17]。
目前，对氧化铝厚膜电子糊的研究已经成熟，而氮化铝厚膜薄膜电子糊仍然具有很大的开发空间，这是由于大多数金属对硝酸铝陶瓷的润湿性不足而引起的[17]。为了改善金属和氮化铝陶瓷在厚膜产生过程中的键合力，有两种常见的方法。一种是使用玻璃材料作为粘结阶段，使金属层和Aln层达到机械键合；第二个是添加一种可以与ALN反应为键合阶段的物质，并通过与ALN反应来实现化学键合。目前，大多数氮化铝浆料的玻璃粘合系统的主要组成是Sio2-B2O3，这是因为硅酸盐玻璃和硼酸盐对金属和氮化铝具有良好的润湿作用。另外，硼酸盐玻璃的软化点很低，可以提高烧结后的发射速率并提高密度。但是，低软化点的硼酸盐也会使其在达到金属化烧结温度之前使其变软，从而使金属层无法与氮化铝陶瓷形成有效的网络交联结构。硅酸盐的添加可以有效解决此问题。同时，可以通过在玻璃相中添加适当数量的碱金属和碱性金属来进一步提高玻璃相的性能，因为碱性或碱金属可以区分玻璃并降低玻璃的粘度。通常，随着碱性或碱土金属量的增加，粘度将大大降低，这有助于提高浆液的流动性并加速金属化和烧结。常用的碱性或碱土金属包括LI2O，Na2O，K2O，BAO和PDO等[18,19]。另外，可以添加一些可以与氮化铝反应形成新相的物质，例如CR2O3，PDO，ZnO等，以及新阶段形成的反应键合力可用于提高改善的粘附强度金属化后浆。有人指出，硅和硼的某些碱土金属氧化物以及锆，铁，铅和磷的氧化物可以与ALN反应形成新物质[20,21]。例如，由于在反应过程中形成了新相Al2O3·B2O3（Boral Spinel），因此使用ZRB2键合阶段，金属层和氮化铝陶瓷之间的键合力可以高达24MPA，以及高达24MPA，以及在反应过程中产生的ZRO2也可以加速ALN的氧化，从而促进反应。
TFC烧结后金属层的厚度通常为10〜20μm，最小线宽度为0.1 mm。由于成熟的技术，简单的过程和低成本，TFC已用于具有低图形精度要求的LED包装。同时，TFC具有一些缺点，例如较低的图形精度（误差为±10％），涂层稳定性很容易受到浆料均匀性，较差的线平整度（3μm）和粘附不容易控制的影响，因此其应用范围有限。
1.3直接粘合铜（DBC）方法
DBC是一种将铜箔粘结在陶瓷表面（主要是AL2O3和ALN）上的金属化方法，这是一个新的过程，随着芯片（COB）包装技术的兴起而开发的新过程。基本原理是在铜和陶瓷之间引入氧气，然后在1065〜1083℃时形成Cu/O共晶液相，然后与陶瓷基质和铜箔反应形成Cualo2或Cu（Alo2）2，并意识到粘结在中间相的作用下铜箔和基质之间。因为Al n是一种非氧化陶瓷，因此在其表面上涂层铜的关键是在其表面上形成AL2O3过渡层，并在过渡层的作用下实现铜箔和基质陶瓷之间的有效键[22]。
氧的引入是DBC过程中非常关键的一步。氧化时间和氧化温度是此过程中最重要的两个参数，它们对粘合后陶瓷和铜箔之间的结合力产生了非常重要的影响。当固定氧化时间和氧化温度时，在与铜箔键合过程中无氧化处理的Al2O3矩阵，因为氧气难以渗透到铜箔和陶瓷底物的界面中，Cu/O液体相具有基板上的润湿性差，最后将保留大量孔和缺陷。矩阵预氧化后，可以同时给出足够的氧气供应，因此Cu/O液相在陶瓷基质和铜箔上具有良好的润湿性，室内腔和缺陷可显着降低，以及铜箔和基质之间的结合力也更加牢固。对于ALN，由于ALN是强大的共价键化合物，因此Cu/O液相的润湿性很差。当将DBC铜施加在其表面上时，必须通过表面修饰来增强Cu/O液相的润湿性，以确保铜箔和基质的结合力。目前，总体实践是使用氧化前在ALN表面形成Al2O3膜的一定厚度，均匀的分散和致密结构。由于氧化铝膜的热膨胀系数与铝硝酸盐矩阵之间的不匹配，由于内部应力在室温下存在内部应力，这两个相接口的键合力可能会恶化，因此膜的质量是成功的关键随后的涂层。通常，为了实现两者的有效组合，有必要通过在确保氧化物膜密度的前提下尽可能减少膜的厚度来减少ALN和AL2O3相之间的内部应力。 。 Jing Min等。 [23]对DBC工艺进行了系统研究，并通过用摩尔naOH粗糙的陶瓷表面粗糙，获得了高于6.5n / mm的剥离强度的DBC陶瓷底物和11.86W /（M·K）的导热率。 Xie Jianjun等。 [24]用DBC技术制备了Cu/Al2O3和Cu/Aln复合陶瓷基材材料。铜箔和ALN陶瓷底物之间的粘结强度超过8.00n /mm，并且在铜箔和Aln陶瓷之间的厚度约为2μm。它的成分主要是Al2O3，Cualo2和Cu2O化合物，Cu/Aln的界面键合强度随着粘结温度的升高而逐渐增加。 Akara-Slimane等。 [25]使用DBC工艺在真空条件下，温度为1000°且压力为4-12 MPa时，在真空条件下制备氮化铝陶瓷底物，并且剥离强度高达32 MPa。
铜箔具有良好的电导率和导热性，氧化铝不仅具有良好的导热率，强隔热性，高可靠性，而且可以有效地控制Cual2O3-CU复合物的膨胀，因此DBC陶瓷底物具有相似的氧化铝导热系数。它已被广泛用于IGBT，LD和CPV的软件包热管理中。由于DBC热压粘合铝箔通常较厚，范围从100到600μm，因此它们具有强大的电流能力，并且在IGBT和LD包装领域具有明显的优势[26]。
尽管DBC在实际工程应用方面具有许多优势，但它也具有以下缺点：（1）DBC过程需要在高温条件下引入氧元素，以使Cu和Al2O3 Eutectic反应需要高设备和过程控制，以及需要高温的氧气元素。底物生产成本很高； （2）在Al2O3和Cu层之间很容易产生微倍数，并且将影响底物的热休克电阻； （3）DBC表面键合的铜箔的厚度通常超过100μm，表面图案的最小线宽度通常大于100μm，不适合生产细线。
1.4直接铝键（DAB）
直接的铝涂层方法是在陶瓷液态下使用铝，具有实现两者的应用的良好润湿性。当温度升高到660℃以上时，固体铝液化时，当液体铝湿润陶瓷表面湿润时，温度降低时，铝直接在晶体核结晶生长提供的陶瓷表面上，冷却至室温以达到室内的组合两个。因为铝更活跃，因此在高温条件下氧化Al2O3膜很容易，并且存在于液体铝的表面，这大大降低了液态铝在陶瓷表面上的润湿性，因此必须难以实现该应用，因此必须在申请或在无氧条件下申请之前删除。 Peng Rong等。 [23,27]采用石墨模具铸造方法将纯液体铝放在AL2O3底物和ALN底物的表面上，而Al2O3膜由于缺乏流动性而保留在霉菌腔中。冷却后，用声音涂层制备DAB底物。
由于液体铝在陶瓷表面上的润湿性是DAB成功或失败的关键，因此国内外的学者进行了大量有关润湿性的研究工作。当Karaslimane [25]使用铝作为中间层与Al/al/Fe结合时，他指出，必须在涂层过程中施加某些压力，以破坏出现在液体铝表面上的Al2O3层，以便意识到铝与氮化铝和铁的有效涂层。上述考虑是物理涂层，也就是说，在铝/陶瓷界面上没有化学反应，因此铝和陶瓷之间的键强度取决于由两者之间的粗糙度增加以及结合的机械锁定合作而引起的机械锁合作与DBC相比，力相对较小。但是，与DBC相比，两者之间的组合没有第二阶段的生成，并且具有低界面应力和高界面导热率的优势。在涂层铝之前，陶瓷的表面处理以增加涂层的强度是非常关键的过程联系。
Imai [28]发现，陶瓷底物的表面粗糙度极大地影响了涂料性能，并且保持一定的粗糙度是提高涂层强度的必要条件。因此，如何处理陶瓷基材以改变其粗糙度是提高铝和陶瓷之间的粘结强度的关键。 Lin等。 [29]研究了Al2O3/al/al2O3的键合温度和性能，并在1100℃时以高粘结强度和32 W/（M·K）的高电导率为32 W/（M·K）制备了DAB底物。 Jing Min等。 [23]首先，通过在Al2O3底物上烧结Cu2O形成稳定的Cu Al2O4相，并通过1 000℃时H2还原在底物的表面上形成铜膜。最后，在真空环境下通过活性金属镁和碳粉保护分离氧与金属铝之间的接触。通过760℃的共晶涂层制备具有AL/AL2O3键强度高达11.9 MPa的DAB陶瓷底物。
DAB陶瓷底物具有良好的热稳定性，与相同结构的DBC相比，质量可以降低44％，铝线键合能力很好，铝/陶瓷之间的热应力相对较小，并且在最近的情况下迅速发展年。 Al2O3-DAB底物和Aln-DAB底物具有出色的导热率特性，良好的热电冲击抗抗性，出色的热稳定性，轻质的结构重量和良好的铝线粘结能力。基于DAB底物的电源设备模块已成功应用于日本汽车行业。目前，关于国内外DAB技术的研究工作已经进行了许多研究，但是对铝/陶瓷界面细节的研究还不够深[4]。由于对氧含量的严格限制，DAB对设备和过程控制有更高的要求，并且基板生产成本更高。表面键合铝的厚度通常超过100μm，不适合生产细纹，因此其促进和应用受到限制。
1.5薄膜方法（直接镀铜，DPC）
薄膜方法是一个过程，其中金属层通过物理蒸气沉积（真空蒸发，磁控溅射等）在陶瓷表面形成，然后由掩模和蚀刻形成金属电路层。其中，物理蒸气沉积是最常见的膜制造过程[30]。
物理蒸气沉积是通过蒸发或溅射作为陶瓷底物的导电层在陶瓷表面上形成3〜5μm金属膜的一层。界面粘结强度是DPC底物的技术瓶颈，因为铜层和陶瓷层的热循环故障。陶瓷和金属膜的粘结力，金属膜和芯片的焊接性能以及金属膜本身的电导率是测量膜质量的三个重要指标。金属膜和氮化铝之间的键合力决定了膜过程陶瓷基板的实用性和可靠性，而粘结力则受范德华力，化学键合力，化学键合，扩散粘附，机械锁定，静电吸引力和内部应力的影响膜本身，其中扩散粘附和化学键合的是主要因素。因此，有必要选择具有高活性和良好扩散性能作为过渡层的Al，Cr，Ti，Ni，Cu和其他金属。导电层执行电连接和焊接的功能，因此有必要选择具有低电阻率，高温抗性，稳定的化学性能和小扩散系数的金属材料，例如AU，CU和AG [31]。 Zhang Xuebin [32]研究了DPC陶瓷底物的制备过程，结果表明，通过使用W/Ti合金作为过渡层，可以提高粘结强度。当过渡层厚度为200 nm时，制备的薄膜AL2O3陶瓷底物的键合强度大于97.2N。此外，除了通过物理蒸气沉积制备薄膜外，一些学者还通过电镀胶在陶瓷表面获得了铜薄膜。 Xue Shengjie等。 [13]来自重庆大学使用了电镀层方法来优化各种过程参数。 Al N薄膜陶瓷底物的结合力为18.45 n，电导率为2.65×10^6 s/ m，沉积速率为0.026 g/（s·Cm2）和147.29 W/（m·k）的导热率。
与其他陶瓷表面金属化方法相比，DPC工艺的工作温度较低，通常低于300°C，从而降低了制造工艺成本，并有效避免了高温对材料的不利影响。 DPC底物使用Huang Guangying技术来产生图形电路，可以在20〜30μm中控制线宽度，表面平坦度可以达到3μm或更小，并且图形精度误差可以在±1％内控制，这非常适合具有高电路精度要求的电子设备包装。特别地，陶瓷底物的上部和下表面可以通过激光切割孔并通过DPC底物的孔填充铜，从而符合激光，从而满足电子设备的三维包装要求。 DPC不仅减少了包装量，还可以有效地改善包装集成。尽管DPC陶瓷底物具有上述优势，但它也存在一些缺点，例如电镀沉积铜层的厚度有限，电镀废物液体的大污染，金属层和陶瓷之间的低粘结强度以及产品应用的可靠性低。
2陶瓷基材的性能比较和开发趋势
2.1陶瓷基材的性能比较
除了电连接和散热函数外，功率类型的电子包装耗散底物还需要具有一定的绝缘，耐热性，电阻和热量匹配性能。由于陶瓷基材具有出色的导热率和绝缘性能，因此它在电源电子组件的包装应用中具有显着的优势，并且是功率电子包装冷却基板基板的主要开发方向之一[33]。 LTCC，HTCC，TFC，DBC，DBA，DPC过程陶瓷底物的主要特征如表1所示。
表1各种陶瓷底物的主要特征和性能比较
到目前为止，Cree，Osram，Philips和Nichia以及其他国际顶级制造商以及国内Jiangxi Jingrui，Yimei Xinguang，Hucheng Technology，Foshan Guoxing，Shenzhen Ruifeng，Guangzhou Hongli，Ningbo Shengpu，Ningbo Shengpu，其他企业和其他企业已经推出了陶器的电动产品。目前，由于技术能力，陶瓷基材的制造成本仍然很高。但是，可以预测，随着技术瓶颈的持续突破以及包装整合的持续改进，陶瓷基材的市场接受将越来越改善，并且使用陶瓷作为包装底物的电力电子产品将越来越丰富。
2.2陶瓷基材的发展趋势
陶瓷底物具有较低的热膨胀系数，良好的导热率和绝缘性能，并且已被认为是该行业中最有希望的散热底物材料。在某些情况下，它正在逐渐取代金属底物，并成为高功率电子组件热量耗散的首选热管理解决方案[34]。
如上所述，目前适用于高功率电子组件包装的陶瓷基材制造技术总共具有HTCC，LTCC，TFC，TFC，DBC，DBC，DAB，DPC六种，其中HTCC过程中的金属粉末主要是Tungsten，Molybdenum，Molybdenum ，锰和其他高熔点但电导率差的金属及其生产成本较高，因此通常使用较少。与普通的MCPCB优势相比，由于浆液中玻璃材料的较低导热率的增加，其导热率仅为2〜3 W/（M·K），因此LTCC过程并不明显。同时，HTCC和LTCC的线图是由厚膜（TFC）技术制成的，该技术具有粗糙的表面和不准确的比对。此外，在烧结过程中，陶瓷绿色坯料的收缩不一致，这使得在一定程度上限于共同燃烧的陶瓷的过程，普及和应用也面临着巨大的挑战。
由于液体相铜在DBC过程中的润湿性差，因此需要在高温条件下引入氧元素，以实现铜箔和基质陶瓷的涂层，并且在界面表面上很容易生成微孢子，并在界面表面产生微孢子。具有较高的设备和技术要求，并且仍然是国内外研究人员研究的重点。 DAB过程中的铝在高温下易于氧化，这将影响陶瓷表面上液体铝的润湿性，并且需要在无氧条件下进行应用，因此设备和技术的要求也相对较高目前尚未实现苛刻和大规模的工业化。目前，西方发达国家，日本，韩国具有DBC和DAB技术和市场优势。中国的一些科学研究机构还在DBC和DAB上进行了一些研究工作，并取得了某些技术突破，但是与国际高级水平相比，仍然存在一定的差距，产品主要用于IGBT（绝缘栅极双极二极管）和LD（激光二极管）和其他电源设备包装。由于DBC和DAB的较厚导电层，应用于LED包装的两个底物的优势并不明显。
DPC工艺通过在陶瓷表面引入过渡层金属在陶瓷表面上解决铜箔较差的问题，并成功地实现了陶瓷表面的金属化，以确保导电层和陶瓷底物之间的结合力。 DPC陶瓷底物不仅具有出色的电导率，而且具有高线的准确性和表面光滑度，非常适合LED覆层和共晶过程LED包装，并且在生产规模方面实现了工业化，并且目前最能够实现。满足导致高功率，高光密度和陶瓷包装冷却基板发展的小尺寸方向的需求。目前，中国台湾地区在DPC核心技术方面拥有垄断地位，占全球产品市场份额的80％，并且是半导体照明行业巨头（例如Cree，Lumileds，Lumileds，Lumileds and Osram in Dermany）的陶瓷冷却基础的主要供应商。如今，随着研发工作的不断增加，大陆的DPC底物技术也取得了突破，这也可以在一定程度上满足高功率LED包装的需求。
在制造过程技术瓶颈的持续突破背景下，陶瓷基材的脆弱性是无可争议的事实，如何使用其出色的热导率来为快速发展的LED行业提供热量耗散管理解决方案，并避免由于过度耐磨而造成破裂在生产和使用过程中，也是一个实用的问题，无法忽略。 Lejian Technology（Zhuhai）Co.，Ltd。使用激光切割或研磨轮切割将大块陶瓷切成多个小块，然后选择性地植入FR4结构，使用压制过程将陶瓷和FR4组合在一起形成复合散热结构。其中，陶瓷充当芯片的热量耗散通道，因此，在工作过程中电子组件产生的热量可以迅速扩散到陶瓷沿陶瓷的外部世界，以避免引起的组件的可靠性如图1和图2所示，由于散热不良，导致过早失败的风险。这种设计不仅保留了陶瓷的散热功能，而且还解决了脆弱的陶瓷问题。同时，可以在FR4上实现加工，这大大降低了切割纯陶瓷的高成本。目前，这种复合底物材料已应用于高功率LED和IGBT领域的一定程度。
3个闭幕词
散热是电力电子组件开发的关键技术问题。鉴于高功率，小尺寸，轻量级已成为电力电子组件包装的未来开发趋势，除了出色的导热性特性外，陶瓷基材，但具有良好的绝缘，耐热性，耐压性和良好的热匹配性能，并具有良好的热匹配性能该芯片已成为中型和高端电力电子组件包装散热的首选。陶瓷底物表面的金属化过程是实现陶瓷在电源电子组件包装中使用的重要联系。金属化方法决定了陶瓷基材的性能，制造成本，产品产量和应用范围。
