摘 要：

隨著大功率器件朝著高壓、高電流以及小型化的方向發(fā)展，這對(duì)于器件的散熱要求變得更為嚴(yán)格。陶瓷基板因其卓越的熱導(dǎo)率和機(jī)械性能，被廣泛應(yīng)用于大功率器件的封裝工藝中。本文首先綜合評(píng)述了高導(dǎo)熱Al2O3、SiC、AlN和Si3N4陶瓷的制備方法、性能特點(diǎn)以及研究進(jìn)展，并探討了不同成分和工藝與陶瓷熱導(dǎo)率的關(guān)系。接著，文章詳細(xì)介紹了直接沉積銅、直接鍵合銅、活性金屬焊接、激光活性金屬化和厚印刷銅等金屬化技術(shù)的工藝流程及研究現(xiàn)狀，同時(shí)指出了這些金屬化技術(shù)的熱點(diǎn)問題和存在的不足。最后，對(duì)各類陶瓷基板及其金屬化工藝的未來發(fā)展進(jìn)行展望。

電子元器件在電路中發(fā)揮濾波、整理、信號(hào)處理和信號(hào)控制等作用，被廣泛應(yīng)用于各種電氣設(shè)備中。電子元器件通常對(duì)溫度極為敏感，超過55 %的電子元器件故障源于熱失效。因此，為電子元器件提供良好的散熱環(huán)境至關(guān)重要。隨著集成電路的發(fā)展，大功率器件正朝著高電壓、大電流、大功率密度及小型化的方向發(fā)展，這導(dǎo)致大功率器件會(huì)在更高的溫度下工作。例如SiC功率器件可以實(shí)現(xiàn)超過1000 W/cm2的功率密度，可能在高達(dá)500°C的極端環(huán)境中工作，而其他功率半導(dǎo)體器件的工作溫度也可能超過250°C，這使熱管理成為電子封裝領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。器件產(chǎn)生的熱量需先傳遞至基板，再由基板散發(fā)出去，這對(duì)基板的機(jī)械可靠性和熱導(dǎo)率提出了較高要求。

目前，常見基板的性能特性如表1所示。環(huán)氧玻璃布層壓板(FR-4)和覆金屬基板是電子設(shè)備中常見的基板。然而，它們較低的熱導(dǎo)率和較高的熱膨脹系數(shù)(Coefficient of Thermal Expansion，CTE)限制了它們在惡劣環(huán)境中的應(yīng)用。相比之下，陶瓷基板雖然材料和工藝成本更高，但其熱導(dǎo)率可達(dá)到200 W/m·K，CTE與硅接近，并且具有更高的可靠性，因此廣泛應(yīng)用于微電子封裝、傳感器和無源元件等領(lǐng)域。電子封裝中使用的陶瓷基板制備流程和應(yīng)用領(lǐng)域如圖1所示。陶瓷粉末與添加劑混合并成型，經(jīng)燒結(jié)得到致密的陶瓷基板。由于陶瓷基板為絕緣體，需進(jìn)行金屬化處理，形成導(dǎo)電金屬層以供器件安裝和電氣連接。最后將器件安裝在金屬化陶瓷基板上應(yīng)用。這種工藝廣泛應(yīng)用于發(fā)光二極管(Light-Emitting Diode，LED)、絕緣柵雙極晶體管(Insulate-Gate Bipolar Transistor，IGBT)、SiC器件和大功率激光器件等領(lǐng)域。隨著人工智能、汽車電氣化與智能化、航空航天、軍工等行業(yè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)高導(dǎo)熱基板的需求不斷增長。據(jù)QYresearch報(bào)道，2022年全球金屬化陶瓷基板市場規(guī)模達(dá)到11.3億美元，預(yù)計(jì)到2029年將增至41.5億美元，年復(fù)合增長率為18.23 %，顯示出陶瓷基板廣闊的市場前景，其技術(shù)與要求也將不斷進(jìn)步與發(fā)展。

為進(jìn)一步推動(dòng)陶瓷基板領(lǐng)域的發(fā)展，本文首先概述了當(dāng)前電子封裝中所使用的陶瓷基板的制備工藝。其次綜述了Al2O3、SiC、AlN和Si3N4在熱導(dǎo)率和力學(xué)性能方面的研究進(jìn)展。接著，探討了直接沉積銅(Direct Plating Copper，DPC)、直接鍵合銅(Direct Bonded Copper，DBC)、活性金屬焊接(Active Metal Brazing，AMB)、激光活性金屬化(Laser Activated Metallization，LAM)和厚印刷銅(Thick Printed Copper，TPC)等多種平面陶瓷基板金屬化工藝的流程和研究現(xiàn)狀。最后，基于綜述內(nèi)容，總結(jié)相關(guān)進(jìn)展并展望未來發(fā)展方向。

2電子封裝的高導(dǎo)熱陶瓷基板

2.1高導(dǎo)熱陶瓷基板的制造工藝

大功率器件所使用的陶瓷基板多為平面狀，平面陶瓷基板的制造工藝可分為成型與燒結(jié)兩步。報(bào)道中常見的成型工藝及特點(diǎn)如表2所示。其中干壓成型和流延成型廣泛用于陶瓷基板的工業(yè)化生

產(chǎn)。干壓成型的工藝流程如圖2a所示，施加壓力和保壓時(shí)間是干壓過程中最重要的參數(shù)。流延成型被認(rèn)為是制造大尺寸平面陶瓷基板的一種經(jīng)濟(jì)、連續(xù)和自動(dòng)化的工藝，其工藝如圖2b所示。流延成型在制備多層材料及器件方面具有低成本和高效率的特性，廣泛用于制造諸如低溫共燒陶瓷基板、電容器和微波介電陶瓷器件。

陶瓷的燒結(jié)是將陶瓷粉末在高溫下形成致密陶瓷塊體的過程。高導(dǎo)熱的SiC、AlN和Si3N4等陶瓷因其具有特別強(qiáng)的共價(jià)鍵而難以使用純的陶瓷粉末燒結(jié)成致密的陶瓷塊體。通常通過摻入低熔點(diǎn)的添加劑并混合成型再一起燒結(jié)，以提高燒結(jié)體致密度。燒結(jié)按燒結(jié)過程是否形成液相分為固相燒結(jié)和液相燒結(jié)，兩者的驅(qū)動(dòng)力都是總表面能的減少。固相燒結(jié)是一種無需液相參與的陶瓷致密化方法，該過程主要通過三種機(jī)制實(shí)現(xiàn)：蒸氣傳輸、表面-晶格-晶界擴(kuò)散以及由位錯(cuò)遷移驅(qū)動(dòng)的塑性變形，這些機(jī)制共同促進(jìn)陶瓷內(nèi)部顆粒間有效的致密連接。液相燒結(jié)是添加劑在高溫下轉(zhuǎn)變成液態(tài)，形成固體顆粒和液相處于化學(xué)平衡的系統(tǒng)，并且隨著燒結(jié)的進(jìn)行，陶瓷的晶粒生長和致密化同時(shí)發(fā)生的一種燒結(jié)工藝。若按照工藝區(qū)分，燒結(jié)工藝還可以分為無壓燒結(jié)(Pressureless Sintering，PLS)、氣壓燒結(jié)(Gas Pressure Sintering，GPS)、(Hot Press Sintering，HPS)、熱等靜壓燒結(jié)(Hot Isostatic Pressure Sintering，HIPS)、放電等離子燒結(jié)(Spark Plasma Sintering，SPS)等。其中SPS、HPS和HIPS由于條件要求高或工藝復(fù)雜，不適合大規(guī)模生產(chǎn)陶瓷基板。

2.2高導(dǎo)熱陶瓷基板的研究現(xiàn)狀

電子封裝過程需要將模塊封裝在陶瓷基板上，所以要在陶瓷基板上形成一定厚度的金屬層，以便于模塊的焊接和電氣連接，這需要滿足多個(gè)指標(biāo)。首先，陶瓷基板有兩個(gè)主要功能：為功率模塊提供結(jié)構(gòu)支撐，需要高絕緣性和良好的力學(xué)性能；為功率模塊散熱，需要高導(dǎo)熱性。其次，陶瓷基板在某些電路中用作共模電容器，需要考慮其介電常數(shù)。通常情況下，信號(hào)傳播延遲與介電常數(shù)值的平方根成正比；因此，介電常數(shù)越低，信號(hào)傳輸速度越快，這就要求陶瓷基板具有較低的介電常數(shù)。此外，許多陶瓷材料的熱導(dǎo)率和擊穿電阻隨著環(huán)境溫度的升高而降低，因此需要確保陶瓷在高溫條件下仍能保持良好的性能。

在1999年出版的《先進(jìn)電子封裝》一書中，Ulrich等人討論了各種陶瓷材料的性能，如表3常見的陶瓷材料的性能所示。Al2O3具有較低的強(qiáng)度和導(dǎo)熱性，因此很難應(yīng)用于大功率器件。BeO具有極高的熱導(dǎo)率，但由于毒性問題，其工業(yè)應(yīng)用受到嚴(yán)格限制。BN具有很高的熱導(dǎo)率，但其抗彎強(qiáng)度低、介電損耗系數(shù)高，因而受到限制。SiC具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能和適中的機(jī)械強(qiáng)度，但其相對(duì)較高的介電常數(shù)可能限制其在電子封裝領(lǐng)域的應(yīng)用。AlN陶瓷具有較高的熱導(dǎo)率、適中的抗彎強(qiáng)度和出色的電氣性能，因此被廣泛應(yīng)用。Si3N4的突出特點(diǎn)是強(qiáng)度非常高，CTE接近硅，但實(shí)際的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)低于本征熱導(dǎo)率(450 W/m·K)。目前商用的高導(dǎo)熱陶瓷基板主要包括Al2O3、SiC、AlN和Si3N4基板。對(duì)于大功率器件而言，陶瓷基板的熱導(dǎo)率是一個(gè)至關(guān)重要的性能指標(biāo)，下面，本文將分別探討這些陶瓷在該方面的研究進(jìn)展。

2.2.1 Al2O3基板

Al2O3有多種晶體形式，如α-Al2O3、β-Al2O3、γ-Al2O3、η-Al2O3、δ-Al2O3和θ-Al2O3。其中，最穩(wěn)定的為α-Al2O3，即剛玉。其它形態(tài)的Al2O3在950 oC~1700 oC時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的α-Al2O3。α-Al2O3是一種重要的材料，由于其硬度高、熔點(diǎn)高、電導(dǎo)率低，在電子、光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)和機(jī)械工程中有許多技術(shù)應(yīng)用。不同純度的Al2O3的性能如表4所示。隨著純度的增加，Al2O3的熱導(dǎo)率、抗彎強(qiáng)度和CTE都有明顯的增加。Al2O3的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)低于AlN，所以其在導(dǎo)熱方面的研究報(bào)道較少。但由于Al2O3的制備工藝簡單、成本低廉以及其它優(yōu)異性能，仍可以在低功率場景應(yīng)用以降低成本。《GB/T39863-2021覆銅板用Al2O3陶瓷基片》對(duì)Al2O3基板的性能標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范，其部分指標(biāo)為：純度≥96 %、室溫?zé)釋?dǎo)率≥24 W/m·K和抗彎強(qiáng)度≥300 MPa。

2.2.2 SiC基板

SiC有立方結(jié)構(gòu)、六方結(jié)構(gòu)和正交結(jié)構(gòu)等多種晶體結(jié)構(gòu)。其中，立方結(jié)構(gòu)是指 β-SiC，其余結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為 α-SiC。在低溫環(huán)境下，β-SiC更為穩(wěn)定，當(dāng)溫度超過2000°C時(shí)，會(huì)發(fā)生 β-SiC到 α-SiC的相變。即便如此，在不純的SiC體系中，當(dāng)溫度超過1600°C時(shí)，也可能發(fā)生 β 相向 α 相的轉(zhuǎn)變。SiC由于其高強(qiáng)度、高剛度和優(yōu)異的耐腐蝕性、抗氧化性和輻照性，是惡劣環(huán)境中的重要結(jié)構(gòu)材料。SiC的本征熱導(dǎo)率為490 W/m·K，但本文調(diào)研的SiC熱導(dǎo)率的最大值(270 W/m·K)僅達(dá)到本征熱導(dǎo)率的55.1 %，仍有非常大的提升空間。這是由于晶粒內(nèi)晶格缺陷、晶界和殘余晶間相引起的聲子散射效應(yīng)阻礙熱傳導(dǎo)。特別是，SiC晶格中溶解的氧被認(rèn)為是降低熱導(dǎo)率的主要因素之一。氧氣的溶解會(huì)導(dǎo)致硅空位的形成(如式1所示)，從而降低聲子傳播效率。通常，SiC中的晶格氧來源于起始粉末中的固有晶格氧和表面的SiO2鈍化層。因此，制備高熱導(dǎo)率的SiC關(guān)鍵在于在保證陶瓷致密的條件下，通過原料和工藝來減少晶格氧的形成。

SiC是一種具有強(qiáng)大共價(jià)鍵的化合物，SiC粉末在高溫高壓的條件下才能形成致密的塊體。Nadeau等人在極端的燒結(jié)條件下(2500°C和5000 MPa)成功制備了純SiC，這凸顯了其制備的困難。為了克服高溫?zé)Y(jié)的挑戰(zhàn)，研究者常在陶瓷粉末中摻入低熔點(diǎn)添加劑，采取固態(tài)或液相燒結(jié)技術(shù)制備SiC。在固態(tài)燒結(jié)過程中，適量的硼和碳已被證實(shí)能夠促進(jìn)SiC的致密化。對(duì)于液相燒結(jié)，因其可以促進(jìn)晶粒生長以及具有良好的缺陷修復(fù)能力，而被認(rèn)為更適合制備高密度的SiC 。此外，SiC陶瓷還可以使用硅、碳和SiC粉末等原料反應(yīng)燒結(jié)形成。反應(yīng)燒結(jié)涉及多孔碳預(yù)制件的制作、液態(tài)硅的滲透以及高溫下與碳的化學(xué)反應(yīng)。該過程通過毛細(xì)管作用使液態(tài)硅滲透多孔預(yù)制件(由碳和 α-SiC制成)，隨后液態(tài)硅與碳反應(yīng)形成 β-SiC，最終與 α-SiC結(jié)合形成致密的陶瓷。盡管反應(yīng)燒結(jié)產(chǎn)生的陶瓷可能含有較多的殘余硅和碳，導(dǎo)致熱導(dǎo)率和強(qiáng)度較低，但其制備周期短、溫度低、成型精度高，使其在工業(yè)中存在一定的應(yīng)用。

SiC的熱導(dǎo)率和力學(xué)性能與其化學(xué)組成和燒結(jié)工藝密切相關(guān)。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，添加BeO作為添加劑的SiC可獲得目前最高的實(shí)測熱導(dǎo)率(270 W/m·K)。表5不同成分的SiC的性能進(jìn)一步詳細(xì)展示了不同組分及燒結(jié)方法對(duì)SiC性能的具體影響。其中，采用SPS工藝制備的SiC-0.85Y2O3-0.26Sc2O3(wt.%)陶瓷的熱導(dǎo)率達(dá)到262 W/m·K)，高于采用HPS制備的SiC-0.85Y2O3-0.52Sc2O3(wt.%)陶瓷(234 W/m·K)。盡管這兩種SiC的成分相似，但由于燒結(jié)方式的差異，其熱導(dǎo)率相差顯著，表明SiC的熱導(dǎo)率對(duì)工藝或微小的成分變化非常敏感。

在所調(diào)研的文獻(xiàn)中，通過固態(tài)燒結(jié)法制備的SiC的最高熱導(dǎo)率僅為192 W/m·K，遠(yuǎn)低于液相燒結(jié)制備的SiC的最大熱導(dǎo)率。這是因?yàn)樵谝合酂Y(jié)過程中，添加劑能夠凈化晶格，而固態(tài)燒結(jié)則無此效果?？紤]到反應(yīng)燒結(jié)法制備的SiC熱導(dǎo)率更低，所以液相燒結(jié)更適合制備高熱導(dǎo)率SiC，但需搭配合適的添加劑。例如，摻入稀土氧化物可凈化晶格提高熱導(dǎo)率；而Al2O3添加劑則可能形成Si空位，從而降低熱導(dǎo)率。還有文獻(xiàn)提供的證據(jù)表明，在保證致密度的前提下，添加劑的含量越低，SiC熱導(dǎo)率越高。

除了化學(xué)組分和燒結(jié)方法外，影響SiC熱導(dǎo)率的其他關(guān)鍵因素還包括原料的晶體結(jié)構(gòu)和粉末粒徑、晶粒尺寸、燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)長、和燒結(jié)氣氛等，這些因素在表6影響SiC熱導(dǎo)率的因素中有更詳細(xì)的概述。

圖3按照熱導(dǎo)率遞減的順序(a至f)系統(tǒng)地展示了不同文獻(xiàn)報(bào)道的SiC的掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)圖像。對(duì)比圖3a與圖3b可知，圖3a所示樣品中的小尺寸晶粒數(shù)量相對(duì)較少，因此具有更高的熱導(dǎo)率。然而，圖3c的晶粒尺寸看似比圖3d的小，且第二相更粗大，其熱導(dǎo)率卻高于圖3d，這需要進(jìn)一步分析。根據(jù)圖4所示的高分辨率透射電子顯微鏡(High Resolution Transmission Electron Microscope，HRTEM)圖像，SiC內(nèi)部存在清潔晶界(圖4a)和附著有非晶膜的晶界(圖4b)兩種類型。當(dāng)無明顯連續(xù)的第二相阻斷晶粒時(shí)，陶瓷的熱導(dǎo)率主要取決于晶格缺陷的數(shù)量和晶界的純凈度。所以盡管圖3c的晶粒尺寸較圖3d更小，但其晶界卻更干凈，因此其熱導(dǎo)率更高。這說明燒結(jié)氣氛也會(huì)對(duì)SiC的組織造成影響。圖3e展示了典型固態(tài)燒結(jié)SiC組織，具有較多缺陷和雜質(zhì)，以小晶粒為主，導(dǎo)致熱導(dǎo)率不高，但其優(yōu)勢是制備時(shí)間短。圖3f展示了含Al的SiC組織，與其它添加劑明顯不同，晶粒尺寸小、缺陷多、晶界寬，且晶粒內(nèi)存在許多雜質(zhì)，導(dǎo)致熱導(dǎo)率非常低。

通過深入分析SiC的化學(xué)組成、燒結(jié)工藝以及微觀組織特性，可獲得實(shí)現(xiàn)高熱導(dǎo)率SiC的制備要求：首先應(yīng)使用合適的添加劑和燒結(jié)工藝確保SiC達(dá)到高致密度，同時(shí)在維持致密度的前提下，盡量降低添加劑用量；其次，為減少晶格內(nèi)的氧缺陷，選用既不溶于SiC晶格又能有效凈化晶格的添加劑；再者，在保證SiC的強(qiáng)度滿足要求的情況下通過優(yōu)化燒結(jié)工藝盡可能增大晶粒尺寸；最后，結(jié)合添加劑與燒結(jié)氣氛間的潛在反應(yīng)性，精心選擇適宜的燒結(jié)氣氛條件。

2.2.3 AlN基板

AlN憑借其出色的物理化學(xué)性能，包括高達(dá)319 W/m·K的本征熱導(dǎo)率、低介電常數(shù)、高電阻率、6.2 eV的室溫寬禁帶寬度、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)以及與硅類似的CTE，被廣泛應(yīng)用在多種場景中。

然而，現(xiàn)有研究中所記錄到的AlN最高熱導(dǎo)率僅為248 W/m·K，相當(dāng)于其本征值的77.4 %，表明AlN的熱導(dǎo)率仍有提升空間。決定AlN熱導(dǎo)率的關(guān)鍵因素是晶格缺陷結(jié)構(gòu)，其中，晶格氧缺陷尤為突出。Slack等人指出，氧以Al2O3形態(tài)替代氮原子進(jìn)入AlN晶格時(shí)，每個(gè)三元氧組合會(huì)生成一個(gè)鋁空位(V'')，這一現(xiàn)象可以通過特定公式量化描述：

式中x為AlN中氧雜質(zhì)數(shù)量密度和氮數(shù)量密度的比值；V''為鋁空位。顯而易見，AlN晶格的氧含量對(duì)其熱導(dǎo)率的影響至關(guān)重要。

AlN陶瓷的制備通常需要摻入低熔點(diǎn)氧化物作為添加劑，以降低燒結(jié)溫度并優(yōu)化燒結(jié)質(zhì)量。不同添加劑在改善AlN性能方面表現(xiàn)出不同的效果和最優(yōu)添加比例。其中，親氧添加劑因其凈化晶格的能力而被廣泛應(yīng)用，可有效提升AlN的熱導(dǎo)率。

表7列舉了幾種常見的AlN燒結(jié)添加劑及其可能發(fā)生的反應(yīng)。其中，Y2O3、YF3、YbF3、Yb2O3、CaF2和Li2CO3等添加劑能與AlN表面的Al2O3發(fā)生反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)AlN晶格的凈化，提高熱導(dǎo)率，以Y2O3的效果最佳。添加劑用量不足可能導(dǎo)致陶瓷致密度不足或晶格凈化不徹底，而過量添加則易形成粗大的第二相，兩者都會(huì)顯著降低AlN的熱導(dǎo)率。為加快制備高熱導(dǎo)率AlN的進(jìn)程，可先測定AlN粉末的表面含氧量，再根據(jù)反應(yīng)方程式計(jì)算所需添加劑的最佳劑量。

除親氧性外，部分添加劑還具備其它特性。例如，Li2CO3高溫分解生成的Li2O不僅能凈化晶格，還會(huì)在高于1600°C時(shí)升華，進(jìn)一步凈化晶界，增強(qiáng)AlN的熱導(dǎo)率。CaC2轉(zhuǎn)化成CaO-Al2O3復(fù)合物及CO或CO2氣體，有效減少陶瓷中的晶格氧、孔隙和缺陷，增強(qiáng)晶粒的均勻性的同時(shí)提高陶瓷的熱導(dǎo)率。相比之下，添加Al2O3可能溶入AlN晶粒內(nèi)部產(chǎn)生缺陷，從而降低熱導(dǎo)率。

燒結(jié)方法的選擇也影響添加劑的效果。Ishizaki等人研究表明，使用1 mol% Y2O3作為添加劑，通過PLS制備AlN時(shí)，隨燒結(jié)溫度升高，晶格中氧含量逐步減少，熱導(dǎo)率也隨之提高；而在HIPS條件下，AlN的氧含量變化不大，熱導(dǎo)率較低。這主要因?yàn)樵赑LS過程中，Y2O3易與Al2O3反應(yīng)并排出含氧氣體，而在HIPS高壓狀態(tài)下，這種反應(yīng)受限。

表8展示了不同成分和工藝的AlN的性能對(duì)比。本文調(diào)研的AlN最高熱導(dǎo)率為248 W/m·K，僅使用Y2O3作為添加劑，采用無壓燒結(jié)工藝。許多采用單一稀土氧化物添加劑制備的AlN顯示出較高的熱導(dǎo)率，而多組分添加劑制備的AlN不僅熱導(dǎo)率略遜一籌，其力學(xué)性能也并未體現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。就燒結(jié)工藝而言，PLS和HPS制備的AlN通常具有更高的熱導(dǎo)率，因?yàn)檩^高的燒結(jié)溫度、更長的燒結(jié)時(shí)間和更緩慢的冷卻速率有利于提高AlN的熱導(dǎo)率，而這兩種工藝非常容易實(shí)現(xiàn)這些條件。然而，鑒于SPS工藝燒結(jié)時(shí)間較短，故并不適合用于制造高導(dǎo)熱的AlN。

表中數(shù)據(jù)還表明，盡管高熱導(dǎo)率的AlN在熱傳導(dǎo)性能上表現(xiàn)出色，但其力學(xué)性能常常不盡人意，這限制了其應(yīng)用范圍。特別是晶粒尺寸對(duì)AlN的整體性能有著重要的影響—較大的晶粒尺寸雖然有助于提升熱導(dǎo)率，卻可能降低其強(qiáng)度。因此，研究者們嘗試采用多步熱處理工藝以優(yōu)化AlN的綜合性能，即先通過較短的高溫階段促使AlN迅速致密化，然后在經(jīng)長時(shí)間低溫退火繼續(xù)提高致密度，同時(shí)防止晶粒過度長大，從而同時(shí)提升AlN的熱導(dǎo)率和強(qiáng)度。盡管如此，表中使用兩步燒結(jié)制備的AlN-3Yb2O3-2YbF3(wt.%)陶瓷仍未滿足《GB/T 39975-2021-氮化鋁陶瓷散熱基片》的性能指標(biāo)。

圖5顯示了不同AlN樣品的SEM組織。通過對(duì)比圖5a和圖5b可以發(fā)現(xiàn)，兩步燒結(jié)法制備的AlN晶粒尺寸更小，這有助于提高其強(qiáng)度。此外，傳統(tǒng)無壓燒結(jié)法制備的AlN中第二相連續(xù)分布，阻斷了整個(gè)AlN晶粒，不利于熱傳遞。而兩步燒結(jié)法制備的AlN中第二相彌散分布于晶粒交界處，對(duì)熱傳遞的阻礙較小，因此具有更高的熱導(dǎo)率。圖5c為SPS工藝制備的AlN的SEM組織，由于燒結(jié)時(shí)間較短，樣品中仍存在較多空隙和粗大的第二相，導(dǎo)致熱導(dǎo)率下降。同時(shí)，短時(shí)間的燒結(jié)導(dǎo)致添加劑難以有效凈化晶格，晶粒也未充分長大，這些因素均不利于熱導(dǎo)率的提高。相比之下，圖5d展示的AlN樣品經(jīng)過復(fù)雜的熱處理工藝制備，盡管存在粗大的第二相，但其表現(xiàn)出的熱導(dǎo)率可超過200 W/m·K。這一顯著結(jié)果可以歸因于采用的預(yù)燒工藝，在此過程中，通過將生胚置于石墨坩堝中預(yù)燒，有效降低了粉末表面的氧含量，從而使得最終制備的陶瓷材料具有更低的晶格氧含量。因此，降低晶格含氧量對(duì)于提升AlN的熱導(dǎo)率最為關(guān)鍵。此外，晶粒尺寸和第二相的尺寸及分布對(duì)熱導(dǎo)率也存在一定的影響。

2.2.4 Si3N4基板

Si3N4存在 α-Si3N4、β-Si3N4和 γ-Si3N4三種晶體結(jié)構(gòu)，其中 α-Si3N4和 β-Si3N4為六方結(jié)構(gòu)，γ-Si3N4為立方晶尖石結(jié)構(gòu)。商用Si3N4粉末主要為 α 相和 β 相。β-Si3N4是熱力學(xué)穩(wěn)定相，因?yàn)?α→β 轉(zhuǎn)變不可逆。純的 α-Si3N4在2200 oC以下不發(fā)生相變，但摻入添加劑后可在2150 oC以下觸發(fā) α→β 轉(zhuǎn)變，機(jī)理是高溫下添加劑與Si3N4表面相互作用形成液相，促進(jìn) β 相的形核與長大。

Hirosaki等人通過分子動(dòng)力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，α-Si3N4單晶沿a軸和c軸的理論熱導(dǎo)率分別為105W/m·K和225 W/m·K，而 β-Si3N4相應(yīng)軸向的熱導(dǎo)率則為170 W/m·K和450 W/m·K。說明 β 晶型更利于提高Si3N4陶瓷熱導(dǎo)率。本調(diào)研的Si3N4的最高熱導(dǎo)率為177 W/m·K，僅為理論最大值的39.3 %，提升潛力巨大。

Si3N4的熱導(dǎo)率受晶格缺陷引起的聲子散射效應(yīng)限制，特別是氧原子替代氮原子會(huì)形成硅空位，導(dǎo)致Si3N4的熱導(dǎo)率下降，通常通過摻入添加劑以及優(yōu)化燒結(jié)工藝來控制晶格含氧量。MgO和稀土氧化物等低熔點(diǎn)添加劑常用于Si3N4共燒。其中親氧型添加劑能夠凈化晶格，有助于提升Si3N4的熱導(dǎo)率。但含Al的添加劑易形成固溶體從而降低熱導(dǎo)率，F(xiàn)e雜質(zhì)也有類似的負(fù)面影響。制備高熱導(dǎo)率Si3N4的燒結(jié)工藝應(yīng)采用高溫高壓、長時(shí)間高溫退火及緩慢冷卻等策略，最大限度減少晶格氧含量并促進(jìn)晶粒生長。

由于Si3N4不同晶粒取向熱導(dǎo)率差異大，還可通過摻入微量 β-Si3N4晶種，結(jié)合磁場輔助滑動(dòng)鑄造、熱壓技術(shù)或流延技術(shù)等技術(shù)，可制備高度各向異性的Si3N4。制備的陶瓷在某一方向(高度c軸取向)的熱導(dǎo)率非常高，但垂直于該方向的熱導(dǎo)率相對(duì)較低。

此外，還能夠以硅粉為原料，通過反應(yīng)燒結(jié)法(Reaction-Bonded Sintering，RBS)制備高熱導(dǎo)率Si3N4。該工藝流程涉及硅粉與添加劑的混合及成型、硅粉的氮化以及高溫?zé)Y(jié)。反應(yīng)燒結(jié)Si3N4因原材料成本低、氮化過程中坯體尺寸穩(wěn)定且燒結(jié)后無需二次加工而被廣泛應(yīng)用。理論上，采用高純硅粉制備的Si3N4的晶格含氧量更低，因硅粉的含氧量低于商業(yè)高純Si3N4粉末的含氧量。而且，由于氧氣在β-Si3N4中的溶解度遠(yuǎn)小于α-Si3N4中的溶解度，所以可以通過調(diào)控氮化溫度、延長氮化時(shí)間和優(yōu)化氮化氣氛及升溫速率增加氮化產(chǎn)物中 β-Si3N4的比例，從而降低晶格氧含量，提高整體熱導(dǎo)率。

表9展示了不同Si3N4樣品的性能數(shù)據(jù)。熱導(dǎo)率最高的Si3N4由反應(yīng)燒結(jié)法制備，成分為Si3N4-5.62Yb2O3-1.44MgO(wt.%)，熱導(dǎo)率為177 W/m·K。其次為具有高度各項(xiàng)異性的(Si3N4-2.89MgSiN2-3.25Y2O3)(wt.%)+5 mol%β-Si3N4陶瓷。值得注意的是，即使具有高度c軸取向的Si3N4，其熱導(dǎo)率也只達(dá)到理論極限的39.11 %，凸顯了制備高熱導(dǎo)率Si3N4的難度和潛力。除添加劑和燒結(jié)工藝外，原料的含氧量和晶體類型也是影響Si3N4熱導(dǎo)率的重要因素。例如，Lee等人的研究表明，市售的Si3N4粉末在氮?dú)庀峦嘶鹨欢〞r(shí)長后，含氧量從1.27 wt.%降至0.96 wt.%；使用退火后的粉末制備的Si3N4與使用未退火粉末制備的Si3N4相比，其熱導(dǎo)率提升了18.32 %。Hayashi等人的報(bào)告則證明，采用 β-Si3N4作為原料相較于 α-Si3N4能獲得更高熱導(dǎo)率的Si3N4。

目前制備的Si3N4的綜合性能較差。表中高強(qiáng)度的Si3N4的熱導(dǎo)率徘徊在100 W/m·K左右，而熱導(dǎo)率最高紀(jì)錄對(duì)應(yīng)的抗彎強(qiáng)度也僅為460 MPa，未能滿足團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《T/SCS 000024—2023-高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基片》的要求。未來研究亟待解決的問題是在大幅提升熱導(dǎo)率的同時(shí)保持較高的強(qiáng)度和韌性，以避免在市場競爭中失去優(yōu)勢地位。

通過分析圖6所示不同工藝和成分的Si3N4的SEM圖像，可深入了解其微觀結(jié)構(gòu)特征與熱導(dǎo)率的關(guān)系。圖6a展示的優(yōu)化RBS工藝制備的Si3N4呈現(xiàn)出顯著的晶粒尺寸不均一性，但部分晶粒碩大且孔隙稀少，加上較薄的晶界和非常低的晶格氧，共同支撐其優(yōu)越的熱導(dǎo)性能。相比之下，具有c軸擇優(yōu)取向的Si3N4（參見圖6b）存在非均勻的晶粒和明顯的晶界，導(dǎo)致其熱導(dǎo)率與理論值存在顯著差距。為解決此問題，可通過優(yōu)化添加劑和工藝以增大晶粒尺寸、減少第二相尺寸以及提高干凈晶界的占比，有望提升其熱導(dǎo)率。觀察圖6c所示的傳統(tǒng)燒結(jié)法制備的高熱導(dǎo)率Si3N4樣品，盡管存在較多大尺寸晶粒和相對(duì)干凈的晶界，但仍可見部分被第二相包圍的小晶粒，這可能是導(dǎo)致其熱導(dǎo)率低的原因。最后，圖6d展示的低熱導(dǎo)率Si3N4的組織中，存在大量小晶粒，且晶粒間存在明顯的第二相或非常厚的晶界，因此熱導(dǎo)率非常低。結(jié)合SEM分析可知，制備高熱導(dǎo)率Si3N4的關(guān)鍵在于，在確保低晶格含氧量的同時(shí)，通過調(diào)控添加劑和優(yōu)化工藝流程，使Si3N4的組織具有高度c軸取向、大尺寸晶粒、干凈的晶界和彌散分布的第二相。

2.3高導(dǎo)熱陶瓷的設(shè)計(jì)

通過整合上述觀點(diǎn)，可以提煉出制備高熱導(dǎo)率非氧化物陶瓷的核心設(shè)計(jì)要求(機(jī)理如圖7所示)：首先要選擇合適的添加劑和燒結(jié)工藝獲取致密化的陶瓷；其次添加劑還應(yīng)具有凈化晶格的作用，能減少陶瓷的晶格缺陷；再次，陶瓷組織內(nèi)無粗大連續(xù)的第二相，且陶瓷的晶界無非晶層；還有，在保證一定的強(qiáng)度下，陶瓷的晶粒尺寸越大越好；最后，對(duì)于熱導(dǎo)率在晶型和晶向上存在高度各向異性的陶瓷(如Si3N4)，制備的陶瓷組織應(yīng)主要為最優(yōu)晶型以及最優(yōu)取向。

盡管現(xiàn)有大量的研究報(bào)道不同的成分、工藝參數(shù)與陶瓷性能之間的關(guān)系，但陶瓷性能與諸多因素(如粉末雜質(zhì)含量、粒徑、成分、燒結(jié)方式、燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間等)存在復(fù)雜聯(lián)系，所以難以建立準(zhǔn)確的預(yù)測模型。然而，隨著人工智能的發(fā)展，利用大規(guī)?？煽繑?shù)據(jù)訓(xùn)練人工智能模型對(duì)陶瓷性能進(jìn)行預(yù)測已成為可能。例如，日本學(xué)者Furushima等人利用支持向量回歸機(jī)器學(xué)習(xí)算法預(yù)測RBS制備的Si3N4的熱導(dǎo)率，并取得了滿意結(jié)果。通過人工智能輔助設(shè)計(jì)，不僅可以大幅節(jié)省時(shí)間和成本，而且是未來高熱導(dǎo)率陶瓷材料設(shè)計(jì)的重要發(fā)展趨勢。

3陶瓷基板的金屬化工藝

在成功制備高熱導(dǎo)平面陶瓷基板之后，需要通過金屬化處理在基板表面形成金屬線路，從而實(shí)現(xiàn)器件的焊接和電氣連接。當(dāng)前工業(yè)廣泛應(yīng)用的成熟金屬化工藝主要包括DPC、DBC以及AMB，此外，學(xué)術(shù)文獻(xiàn)中還報(bào)道了一些新興的金屬化技術(shù)，如LAM和TPC。在眾多工藝中，AMB和DBC陶瓷基板以其卓越的高電壓、高功率承載能力脫穎而出，廣泛適用于大型電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、高壓變換器、SiC器件等大功率應(yīng)用場景；而其他金屬化工藝則更適合于低功率需求領(lǐng)域，如GaN功率半導(dǎo)體、移動(dòng)電源設(shè)備和汽車控制器等。

目前市場應(yīng)用及學(xué)術(shù)研究中，平面陶瓷基板金屬化層多采用銅材料，對(duì)其性能評(píng)估的核心指標(biāo)主要集中在金屬層與陶瓷基板的結(jié)合力和金屬層的電阻率。此外，針對(duì)不同的應(yīng)用場景，銅層的厚度、線寬、線間距以及可靠性都有特定要求。尤為重要的是，由于銅與陶瓷基板之間顯著的CTE差異，在器件服役過程中，溫度變化和CTE不匹配可能導(dǎo)致陶瓷基板產(chǎn)生應(yīng)力裂紋，從而影響器件的整體穩(wěn)定性和可靠性。因此，金屬化陶瓷基板的熱應(yīng)力翹曲性能和溫度循環(huán)穩(wěn)定性也是關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)。下面各章節(jié)將對(duì)各類金屬化工藝進(jìn)行更深入的解析。

3.1 DPC工藝

DPC工藝流程如圖8所示。首先，基板經(jīng)過激光沖孔并徹底清潔，然后在清潔干燥的陶瓷基板上沉積種子層，接著覆蓋干膜并進(jìn)行顯影曝光，繼而進(jìn)行電鍍操作，以生成所需的金屬線路。此后，移除多余干膜和種子層，并在銅表面覆蓋一層非活性金屬來保護(hù)銅層，以便于后續(xù)的釬焊過程。

DPC具有較高的線路精度、良好的金屬層結(jié)合強(qiáng)度和線路電阻較低等特點(diǎn)。由于DPC工藝中銅層是通過光刻與電鍍相結(jié)合的方式形成，因此其金屬線寬可低于50μm。在電阻和結(jié)合強(qiáng)度方面，Hao等人報(bào)道的濺射銅層的抗拉強(qiáng)度和方阻分別為3.0 MPa和0.101 ?.cm/□，沉積銅層的方阻為0.334 ?.cm/□。由于Ti與陶瓷基板的結(jié)合強(qiáng)度更高，因此，在陶瓷基板上預(yù)先濺射一層薄的Ti層后再濺射銅層，可顯著提高結(jié)合強(qiáng)度，此時(shí)抗拉強(qiáng)度可提升至11.8 MPa。

盡管DPC陶瓷基板具有高導(dǎo)熱性、高線路精度以及可通過通孔連接減少封裝體積等優(yōu)點(diǎn)，但受限于電鍍工藝，其銅層厚度通常不超過150μm。目前DPC技術(shù)主要應(yīng)用于大功率LED的封裝。在高亮度LED和深紫外LED在高發(fā)熱的應(yīng)用場景中，不僅需要背面配備高導(dǎo)熱基板散熱，正面封裝材料也需考慮熱穩(wěn)定性和可靠性。傳統(tǒng)的樹脂封裝材料在紫外線和高溫作用下易老化失效，因此目前的研究還傾向于采用高嶺土、金屬鎳、金屬銅等無機(jī)或金屬材料在DPC基板上形成壩體結(jié)構(gòu)，再搭配透明石英進(jìn)行封裝，以提高器件的可靠性。

盡管DPC工藝已被廣泛應(yīng)用，但仍面臨效率低、通孔填充不良和鍍液通用性差等問題。其中，通孔填充不良會(huì)影響器件的性能、穩(wěn)定性和可靠性。其形成原因是電鍍過程中，銅更易在通孔表面填充，導(dǎo)致在內(nèi)部未充實(shí)的情況下使通孔閉合，最終在通孔內(nèi)部形成孔洞。電鍍通孔填充質(zhì)量受電鍍電流和添加劑配方的影響，通過優(yōu)化電鍍液配方及輔助工藝參數(shù)可改善通孔填充質(zhì)量。Wang等人通過改進(jìn)電鍍液配方和攪拌速率實(shí)現(xiàn)了高縱橫比及無缺陷的鍍銅通孔。其機(jī)制是通過抑制劑選擇性抑制通孔表面沉積，同時(shí)使用加速劑選擇性加速通孔內(nèi)部沉積，當(dāng)工藝參數(shù)適宜時(shí)，可形成無缺陷的鍍銅通孔。

此外，DPC陶瓷基板在電鍍過程中可能存需要過長的的電鍍時(shí)間、鍍層厚度不均勻以及鍍層內(nèi)部存在宏觀殘余應(yīng)力等問題。其中，過高的殘余應(yīng)力可能引發(fā)鍍層開裂或彎曲，且殘余應(yīng)力在銅層內(nèi)部積累可能影響陶瓷基板的熱穩(wěn)定性。為緩解這些問題，可以通過優(yōu)化鍍液配方和工藝減小基板的殘余應(yīng)力，如Thomas等人通過改進(jìn)電鍍液配方減少電鍍銅對(duì)基板通孔附近區(qū)域的殘余應(yīng)力。

根據(jù)QYresearch的數(shù)據(jù)，全球DPC陶瓷基板市場規(guī)模在2022年已達(dá)到2.40億美元，預(yù)計(jì)至2029年將以4.43 %的復(fù)合年增長率增長至3.27億美元。盡管DPC陶瓷基板具有較好的市場前景，但由于環(huán)境污染問題許多城市限制電鍍生產(chǎn)，間接影響DPC工業(yè)的發(fā)展。此外，DPC工藝中使用的精密濺射鍍膜設(shè)備的高昂的價(jià)格也提高了整體成本。因此，迫切需要研發(fā)新的技術(shù)，提高DPC陶瓷基板的線厚并降低成本，從而增強(qiáng)其在市場競爭中的優(yōu)勢。

3.2 DBC工藝

DBC技術(shù)最早由Burgess等人于1973年開創(chuàng)性地提出，其基本原理在于利用銅箔表面氧化層在高溫下形成Cu-O共晶熔體，該熔體具備卓越的潤濕性能，在1065°C共晶溫度下能夠有效聯(lián)結(jié)陶瓷基板與未反應(yīng)的銅箔，在冷卻凝 固 后 確 保 兩 者 間 的 強(qiáng) 韌 結(jié)合， 這 一 工 藝 流 程 的 可 參 見 圖9。

在1065°C附近，Cu-O形成的共 晶 相 ， 鑒 于 純 銅 熔 點(diǎn) 為1083°C，故共晶鍵合需在1065°C至1083°C的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，實(shí)際操 作 多 集 中 在1070°C至1075°C。降溫過程中，Cu-O共晶中的過飽和氧會(huì)以Cu2O沉淀形式析出；在Al2O3或AlN陶瓷中，還可能出現(xiàn)CuAlO2和CuAl2O4等附加反應(yīng)產(chǎn)物。共晶液的形成及其氧含量對(duì)于鍵合效果至關(guān)重要，鑒于氧氣在銅熔體中的擴(kuò)散率極低(10-5 cm2/s)，難以在鍵合過程中引入足量氧，故通常通過預(yù)氧化銅箔在銅箔表面形成Cu2O以促進(jìn)共晶液生成。銅中氧含量還對(duì)鍵合界面的強(qiáng)度有顯著影響，因此對(duì)其精準(zhǔn)調(diào)控是確保鍵合性能的核心環(huán)節(jié)。

DBC工藝需要搭配特定的基板使用。純銅熔融體對(duì)Al2O3、AlN和Si3N4的潤濕性較差，潤濕角超過130°。通過增加鍵合過程的氧分壓和銅熔體的氧含量，可大幅度減少其在Al2O3表面的潤濕角。雖然AlN也可通過增加鍵合過程的氧分壓、在真空環(huán)境下鍵合或延長鍵合時(shí)間以改善潤濕性，但效果非常有限。因此一般是對(duì)AlN進(jìn)行預(yù)氧化處理，以在表面生成一層Al2O3，再通過上述方法進(jìn)行鍵合。但這些方法都難以改善銅熔體與Si3N4的潤濕性，所以很少對(duì)Si3N4使用DBC工藝。

DBC結(jié)構(gòu)中銅層的厚度范圍在120μm至700μm，濕法刻蝕技術(shù)使得銅層線路寬度達(dá)到200μm，且良好的DBC基板中銅層與基板之間的結(jié)合強(qiáng)度高于65 N/cm。但如此大的線寬限制了DBC陶瓷基板在精密電子器件的應(yīng)用。

此外，DBC陶瓷基板還面臨鍵合界面存在孔隙及溫度循環(huán)可靠性差的雙重挑戰(zhàn)?？紫冬F(xiàn)象如圖10a所示，其確切原因尚未明確，推測可能與高溫下Cu2O還原為Cu時(shí)釋放氧氣以及陶瓷基板的氣體釋放有關(guān)。關(guān)于DBC陶瓷基板的熱循環(huán)可靠性差的問題，是由于陶瓷與銅層的巨大CTE差異，在溫度循環(huán)測試中，這種差異導(dǎo)致基板內(nèi)部應(yīng)力累積，最終引發(fā)疲勞斷裂。Pietranico等人指出DBC陶瓷基板在溫度循環(huán)中失效的主要機(jī)理：一是在DBC基板上，疲勞裂紋起始于銅層內(nèi)的敏感幾何位置或接近銅/陶瓷界面，并在達(dá)到特定閾值后擴(kuò)展并分支穿入陶瓷層；二是由于陶瓷層本征缺陷引發(fā)的脆性斷裂，裂紋沿最大主應(yīng)力方向垂直穿過界面。圖10還展示了幾例典型的DBC陶瓷基板失效案例，超聲波掃描結(jié)果顯示銅層邊緣存在白色特征區(qū)域，指示此處已出現(xiàn)裂紋(參閱圖10b，而圖10c的破裂樣品橫截面清晰揭示裂紋存在于陶瓷基板內(nèi)部而非銅層與陶瓷界面。針對(duì)此難題，通過優(yōu)化銅層設(shè)計(jì)、鋁箔代替銅箔，以及增加基板強(qiáng)度和韌性等手段，能夠顯著提高DBC陶瓷基板的溫度循環(huán)可靠性。

DBC技術(shù)的市場潛力得益于其相對(duì)簡單的設(shè)備和工藝。據(jù)QYResearch報(bào)告，2022年全球DBC陶瓷基板市場的銷售額為4.4億美元，預(yù)計(jì)到2029年將增長至8.24億美元，年復(fù)合增長率為7.75 %。同樣。盡管DBC陶瓷基板的銷售額增長顯著，但其市場份額較低，主要原因是基板適配性以及其溫度循環(huán)可靠性較差導(dǎo)致無法在大功率器件中應(yīng)用。此外，DBC陶瓷基板在濕法刻蝕工藝中面臨的線路精度限制，也影響了其在小體積封裝市場的應(yīng)用。因此，提升DBC陶瓷基板在溫度循環(huán)可靠性、陶瓷基板的適配性和線路精度，是擴(kuò)大其市場份額的關(guān)鍵。

3.3 AMB工藝

在新能源汽車行業(yè)中，SiC模塊備受重視，但當(dāng)SiC功率器件的結(jié)溫升高至250°C時(shí)，由于DBC陶瓷基板在高溫條件下的溫度循環(huán)可靠性很差，導(dǎo)致其應(yīng)用受限。因此，為解決這一問題，研究者開發(fā)了AMB陶瓷基板。AMB工藝流程(參見圖11)如下：首先，在潔凈的陶瓷基板上涂覆一層薄薄的焊料，隨后將銅箔貼合在焊料上并放置在800 oC至950 oC的真空環(huán)境下使焊料熔化，待焊料冷卻后即可形成穩(wěn)固的連接。接下來，通過濕法刻蝕技術(shù)制作金屬圖案以滿足大功率器件的電氣連接需求。

鑒于常規(guī)金屬與陶瓷基板間的潤濕性較差，通常使用活性金屬焊料改善潤濕性以提高接頭強(qiáng)度。活性金屬焊料是指至少含有一種活性金屬元素的焊料，當(dāng)前主要活性元素為Ti及鑭系元素。AMB工藝中常用的活性焊料主要包括Sn-Ag-Ti和Ag-Cu-Ti體系，其中Ti作為活性金屬增強(qiáng)焊料與陶瓷間的潤濕性，Sn和Ag則起到降低熔點(diǎn)以及提高接頭的導(dǎo)熱性能的作用。

然而，AMB工藝必須在高真空或保護(hù)氣氛下實(shí)施，這限制了其工藝的適用性。為克服此局限性，研究者開發(fā)出可在大氣環(huán)境中進(jìn)行的反應(yīng)空氣釬焊(Reactive Air Brazing，RAB)技術(shù)。RAB技術(shù)采用的釬焊填充金屬主要由貴金屬(如Ag、Ag-Pd合金)和金屬氧化物(如CuO、V2O5、Nb2O5、SiO2和Al2TiO5)構(gòu)成，從而賦予接頭良好的抗氧化性能。在RAB過程中，金屬氧化物能夠附著于陶瓷基底表面并與之反應(yīng)，通過熔融填充金屬與界面的協(xié)同作用增強(qiáng)陶瓷基底的潤濕性。同時(shí)，貴金屬的優(yōu)良延展性有助于緩解接頭內(nèi)部熱應(yīng)力，而金屬氧化物的加入則有助于減少接頭與陶瓷基體間由CTE差異引發(fā)的殘余應(yīng)力。

高溫釬焊工藝中，由于銅箔、焊料與陶瓷基板間CTE的不匹配，導(dǎo)致金屬化基板內(nèi)部積累殘余應(yīng)力，且該應(yīng)力的大小與銅層、焊料及其反應(yīng)層的厚度直接相關(guān)，通常隨著厚度增加，殘余應(yīng)力相應(yīng)增大。為緩解這一問題，研究者采取了若干策略，如在焊料中添加改性粒子以調(diào)和CTE的匹配性，或采用激光在陶瓷表面預(yù)置溝槽后再進(jìn)行釬焊，這些方法都能在降低殘余應(yīng)力的同時(shí)增強(qiáng)接頭強(qiáng)度。同時(shí)，CTE不匹配還會(huì)顯著削弱AMB陶瓷基板的溫度循環(huán)可靠性，可通過優(yōu)化焊料配方進(jìn)行改善。此外，陶瓷材料的韌性在溫度循環(huán)可靠性中起著關(guān)鍵作用。Miyazaki等人通過對(duì)不同性能的陶瓷制備的AMB陶瓷基板進(jìn)行溫度循環(huán)(-40°C至250°C)可靠性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表10所示。其中抗彎強(qiáng)度為600 MPa、韌性為8.0 MPa·m1/2的Si3N4基板金屬化后循環(huán)1000次依然保持完好，而抗彎強(qiáng)度雖然為980 MPa但韌性降為5.5 MPa·m1/2的Si3N4基板金屬化后經(jīng)50次溫度循環(huán)就發(fā)生失效，以及韌性更低的AlN基板金屬化后僅經(jīng)7次循環(huán)就失效。由此得出結(jié)論，在評(píng)估溫度循環(huán)可靠性時(shí)，陶瓷材料的韌性相較于抗彎強(qiáng)度更為敏感，因此，在滿足強(qiáng)度的同時(shí)選用高韌性的陶瓷基板更契合AMB工藝的需求。

伴隨新能源汽車技術(shù)向800 V電壓平臺(tái)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，主驅(qū)逆變器功率模塊正逐步由硅基模塊轉(zhuǎn)向SiC模塊，與此相適應(yīng)，其支撐基板也由DBC陶瓷基板轉(zhuǎn)為AMB-Si3N4基板，由此推動(dòng)了AMB-Si3N4基板市場需求的持續(xù)增長。參考2022年QYresearch的研究報(bào)告，當(dāng)年全球AMB陶瓷基板市場的銷售額已達(dá)到4.33億美元，預(yù)計(jì)至2029年市場規(guī)模將躍升至28.72億美元，對(duì)應(yīng)年復(fù)合增長率為26.0 %，凸顯出AMB陶瓷基板在市場上的強(qiáng)勁增長趨勢。

AMB工藝具有設(shè)備、工藝簡單、高可靠性、不受陶瓷基板限制等優(yōu)點(diǎn)，是在大功率器件的應(yīng)用中最具發(fā)展?jié)摿Φ慕饘倩に嚒Ｈ欢?，鑒于大功率電子器件行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)AMB的力學(xué)性能和長期運(yùn)行可靠性提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)，因此需要對(duì)其進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化和提升。同時(shí)，AMB陶瓷基板與DBC陶瓷基板一樣面臨線路精度不足的技術(shù)瓶頸，若能開發(fā)新技術(shù)使其線路精度與DPC工藝相媲美，AMB陶瓷基板將有望在未來替代其他同類基板，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

3.4 LAM工藝

LAM工藝通過激光束對(duì)含鋁陶瓷基板進(jìn)行選擇性照射，被照射的陶瓷材料還原成活化的金屬原子，隨后將其浸入含Cu2+的化學(xué)鍍液中，活化原子促使Cu2+還原并沉積在被照射的區(qū)域，形成金屬線路圖案。

化學(xué)鍍是一種無需外加電流的自催化氧化還原過程，通過溶液中的化學(xué)還原劑將金屬離子還原為固體金屬，而這一還原過程的能量驅(qū)動(dòng)來自于溶液中的化學(xué)還原劑。通常鍍液中的金屬難以自發(fā)還原，通常需要催化劑作為中間媒介，以降低金屬成核的活化能。一旦催化劑顆粒成功沉積在基底表面，即可觸發(fā)大范圍的金屬沉積。

LAM工藝常用含鋁基板進(jìn)行加工，因?yàn)榧す庹丈浜罂梢孕纬苫罨腁l原子。但Al原子的催化性能并不理想，需要其它的催化劑來提高沉積效率。Bindra等人的研究表明，Pd和Pt在堿性介質(zhì)中具有優(yōu)異的催化性能。盡管Pd基催化劑在選擇性活化方面存在局限性，但Pd因其出色的催化活性而被LAM工藝優(yōu)先選用。因此，通常先在陶瓷基板上涂覆一層PdCl2，激光照射后，PdCl2會(huì)分解成PdO和單質(zhì)Pd，二者均可作為化學(xué)鍍銅的有效催化劑。

當(dāng)前，LAM工藝在學(xué)術(shù)研究中主要關(guān)注提高線路精度和增強(qiáng)可靠性兩個(gè)核心問題。激光照射產(chǎn)生的熱效應(yīng)會(huì)形成熱影響區(qū)，熱影響區(qū)也會(huì)形成少量的活化金屬，導(dǎo)致線路增寬。為此，相較于納秒激光，采用皮秒激光可以更精確地聚焦能量，形成狹窄而深入的活化區(qū)域，從而同步提高線路精度和金屬層的結(jié)合強(qiáng)度。此外，Lv等人在激光照射后利用王水(硫酸與硝酸體積比為3:1的混合溶液)選擇性溶解熱影響區(qū)內(nèi)的活化原子后，再進(jìn)行化學(xué)鍍，有效減小了線路寬度。關(guān)于可靠性方面，DeSilva等人發(fā)現(xiàn)，沉積銅層在500 oC退火處理后，其附著力可從初始的約15 MPa顯著提升至48 MPa。

LAM工藝設(shè)計(jì)對(duì)激光參數(shù)、陶瓷基板特性和電鍍工藝參數(shù)具有高度敏感性，盡管該技術(shù)結(jié)合了電鍍銅的成本優(yōu)勢和LAM工藝的高線路精度的特點(diǎn)，但高昂的激光設(shè)備成本和化學(xué)鍍帶來的環(huán)境污染問題仍然是限制其進(jìn)一步普及的重要原因。盡管面臨這些挑戰(zhàn)，LAM技術(shù)仍在不斷發(fā)展中，其在未來的應(yīng)用前景仍值得期待。

3.5 TPC工藝

TPC技術(shù)利用絲網(wǎng)印刷工藝，在潔凈陶瓷基板上涂覆粘性漿料，經(jīng)歷干燥后疊加印刷銅漿，并經(jīng)再次干燥和燒結(jié)處理，可形成厚度介于5至50μm的金屬膜層。對(duì)于需要更厚銅層的應(yīng)用場合，須重復(fù)進(jìn)行多次印刷、干燥及燒結(jié)。TPC工藝通過消除濕法刻蝕過程，能夠直接在陶瓷基板上印刷金屬線路，有效降低了金屬漿料的消耗。此外，通過對(duì)絲網(wǎng)印刷參數(shù)的精細(xì)化調(diào)控，TPC工藝能夠?qū)崿F(xiàn)不同厚度的金屬圖案。

TPC工藝中，金屬層與陶瓷基板的結(jié)合強(qiáng)度與燒結(jié)溫度緊密相關(guān)。當(dāng)燒結(jié)溫度超過925 oC時(shí)，金屬層與基板間的附著力低于10 N/mm2，而在適宜的燒結(jié)條件下，附著力可提升至30 N/mm2。值得一提的是，與DBC陶瓷基板相比，TPC陶瓷基板在溫度循環(huán)可靠性方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，其循環(huán)次數(shù)遠(yuǎn)超DBC陶瓷基板，且不依賴于特定的基板類型。然而，印刷的金屬層內(nèi)部存在的孔隙和雜質(zhì)問題導(dǎo)致金屬層電阻增大，這是TPC技術(shù)有待解決的關(guān)鍵問題之一。

盡管面臨電阻增加與燒結(jié)工藝優(yōu)化的挑戰(zhàn)，鑒于TPC陶瓷基板在基板可靠性方面的突出優(yōu)勢，其在眾多領(lǐng)域中仍展現(xiàn)出廣泛的潛在應(yīng)用前景。為進(jìn)一步推進(jìn)TPC技術(shù)的應(yīng)用，有必要繼續(xù)探索和解決其電阻過高和燒結(jié)工藝繁瑣等相關(guān)問題。

4結(jié)論與展望

本文綜合評(píng)析了電子封裝中的平面陶瓷基板及其金屬化技術(shù)的研究進(jìn)展與特性。結(jié)果顯示，Al2O3基板因熱導(dǎo)率和強(qiáng)度局限，適用于低功耗場合；SiC基板盡管熱導(dǎo)率優(yōu)越，但強(qiáng)度低、介電常數(shù)高，尚存改進(jìn)空間；AlN基板熱導(dǎo)率高，但力學(xué)性能有待提升；Si3N4基板熱導(dǎo)率潛力大，盡管嘗試多種辦法制備，但實(shí)際熱導(dǎo)率偏低。后三者的熱導(dǎo)率提升的關(guān)鍵在于控制晶格氧缺陷、第二相含量、晶粒尺寸等要素，可采取親氧添加劑、高溫?zé)Y(jié)、延長燒結(jié)或熱處理時(shí)間以及采用多步燒結(jié)等方式優(yōu)化。

關(guān)于金屬化工藝，DPC工藝實(shí)現(xiàn)了高精度線路，但受限于線路薄、高昂的設(shè)備成本及環(huán)境污染；DBC工藝簡易，但面臨溫度循環(huán)可靠性性差和孔隙問題；AMB工藝展現(xiàn)出優(yōu)秀的溫度循環(huán)可靠性，應(yīng)用前景廣泛，當(dāng)前核心在于開發(fā)新焊料、強(qiáng)化接頭強(qiáng)度與可靠性；LAM工藝也具有高線路精度的優(yōu)勢，但設(shè)備成本較高且也存在環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)；TPC工藝雖簡單可靠，但受限于高電阻和厚銅層制備過程繁瑣。

未來發(fā)展趨勢上，建議首先運(yùn)用人工智能優(yōu)化高熱導(dǎo)陶瓷的成分設(shè)計(jì)與工藝流程，提升效率；其次，針對(duì)現(xiàn)有高熱導(dǎo)陶瓷高溫?zé)Y(jié)難題，開發(fā)適于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)的低溫快速燒結(jié)技術(shù)。上述的基板中，Si3N4基板具備最大的發(fā)展?jié)摿Γ韫リP(guān)提升其實(shí)測熱導(dǎo)率至60 %理論最大值以上，同時(shí)保持高強(qiáng)度和韌性。此外，DPC和LAM工藝需研發(fā)技術(shù)以增加線路厚度，探討化學(xué)替代法降低成本；DBC和AMB工藝需研發(fā)更高精度的刻蝕技術(shù)；TPC工藝則需革新材料和工藝以降低電阻及簡化工藝流程。

總之，期望未來能研制出具備高導(dǎo)熱、高強(qiáng)度、高韌性、低CTE以及低介電常數(shù)的陶瓷基板，結(jié)合厚線路的DPC工藝或高線路精度的AMB工藝，有效滿足大功率器件的各種封裝需求。

來源：半導(dǎo)體封裝工程師之家