中國(guó)粉體網(wǎng)訊 在“新四化”的浪潮下，新能源汽車早已成為芯片“大戶”，而隨著半導(dǎo)體芯片功率不斷增加，輕型化和高集成度的發(fā)展趨勢(shì)日益明顯，散熱問題的重要性也越來越突出，這無疑對(duì)封裝散熱材料提出了更為嚴(yán)苛的要求。
陶瓷作為新興的電子材料，具備較高的導(dǎo)熱性、低介電損耗、絕緣性、耐熱性、強(qiáng)度以及與芯片匹配的熱膨脹系數(shù)，是功率型電子元器件理想的封裝散熱材料，成為電動(dòng)汽車散熱的解決方案之一。
金屬化助力陶瓷突破應(yīng)用難題
陶瓷用于電路中，必須對(duì)其金屬化，即在陶瓷表面敷一層與陶瓷粘結(jié)牢固而又不易被熔化的金屬薄膜，使其導(dǎo)電，隨后用焊接工藝與金屬引線或其他金屬導(dǎo)電層相連接而成為一體。
表面金屬化對(duì)陶瓷基板的制作而言是至關(guān)重要的一環(huán)，這是因?yàn)榻饘僭诟邷叵聦?duì)陶瓷表面的潤(rùn)濕能力決定了金屬與陶瓷之間的結(jié)合力，良好的結(jié)合力是芯片封裝性能穩(wěn)定性的重要保證。
目前，實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬連接方式主要有兩種，一種方式是讓二者在固態(tài)下實(shí)現(xiàn)連接，如直接覆銅法、直接敷鋁法、厚膜法等等。但事實(shí)證明能夠與某一特定陶瓷直接進(jìn)行結(jié)合的金屬并不多，往往需要在二者界面上引入其他元素或在極端苛刻的條件下才能實(shí)現(xiàn)敷接。
另一種方式是首先在陶瓷表面形成金屬化薄膜作為過渡層，以改變陶瓷表面形貌及微觀組織結(jié)構(gòu)，為最終金屬能夠順利在陶瓷表面實(shí)現(xiàn)金屬化做準(zhǔn)備，如物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積等。（在此背景下，中國(guó)粉體網(wǎng)將于2023年9月12日在合肥舉辦“第一屆電動(dòng)車用陶瓷材料技術(shù)研討會(huì)”。屆時(shí)，來自清華大學(xué)潘偉教授將帶來題為《電動(dòng)車用高導(dǎo)熱陶瓷基板金屬化技術(shù)》，潘偉教授將簡(jiǎn)要介紹現(xiàn)已有的幾種金屬化方法，闡述其團(tuán)隊(duì)近幾年開發(fā)的新型的利用等離子噴涂實(shí)現(xiàn)陶瓷金屬化及在陶瓷基板上一步法制備金屬電路技術(shù)，歡迎報(bào)名參會(huì)。）
目前，常用金屬化方式有厚膜金屬化、薄膜金屬化、直接敷銅法金屬化、共燒法金屬化(HTCC/LTCC)、化學(xué)鍍金屬化等。
厚膜金屬化（TPC）
厚膜法是在基板上通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)、微筆直寫技術(shù)和噴墨打印技術(shù)等微流動(dòng)直寫技術(shù)在基板上直接沉積導(dǎo)電漿料，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)形成導(dǎo)電線路和電極的方法，該方法適用于大部分陶瓷基板。
該方法工藝簡(jiǎn)單，但受限于導(dǎo)電漿料和絲網(wǎng)尺寸，不適合小批量、精細(xì)基板的生產(chǎn)。并且，采用厚膜法成形的導(dǎo)電線路電學(xué)性能較差，因此采用厚膜法的陶瓷基板僅能用于對(duì)功率和尺寸要求較低的電子器件中。
薄膜金屬化（TFC）
薄膜金屬化法采用濺射鍍膜等真空鍍膜法使膜材料和基板結(jié)合在一起，通常在多層結(jié)構(gòu)基板中，基板內(nèi)部金屬和表層金屬不盡相同，陶瓷基板相接觸的薄膜金屬應(yīng)該具有反應(yīng)性好、與基板結(jié)合力強(qiáng)的特性，表面金屬層多選擇電導(dǎo)率高、不易氧化的金屬。
由于是氣相沉積，原則上任何金屬都可以成膜，任何基板都可以金屬化，而且沉積的金屬層均勻，結(jié)合強(qiáng)度高。但薄膜金屬化需要后續(xù)圖形化工藝實(shí)現(xiàn)金屬引線的圖形制備，成本較高。
直接覆銅法（DBC）
DBC是在陶瓷表面(主要是Al2O3和AlN)鍵合銅箔的一種金屬化方法，它是隨著板上芯片(COB)封裝技術(shù)的興起而發(fā)展出來的一種新型工藝。
直接覆銅法所形成的金屬層具有導(dǎo)熱性好、附著強(qiáng)度高、機(jī)械性能優(yōu)良、便于刻蝕、絕緣性及熱循環(huán)能力高的優(yōu)點(diǎn)。DBC技術(shù)主要的缺點(diǎn)是銅箔厚度較大，后續(xù)通過化學(xué)蝕刻過程很難得到高精度導(dǎo)線，而且界面氧元素難以控制，銅箔與陶瓷之間容易出現(xiàn)氣孔，導(dǎo)致最終器件性能不穩(wěn)定，還有待于進(jìn)一步的基礎(chǔ)技術(shù)研究。
活性金屬釬焊技術(shù)(AMB）
活性焊銅工藝（AMB）是DBC工藝技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，它是利用釬料中含有的少量活性元素與陶瓷反應(yīng)生成能被液態(tài)釬料潤(rùn)濕的反應(yīng)層，從而實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬接合的一種方法。
AMB基板是靠陶瓷與活性金屬焊膏在高溫下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)結(jié)合，因此其結(jié)合強(qiáng)度更高，可靠性更好。但是由于該方法成本較高、合適的焊料較少、焊料對(duì)于焊接的可靠性影響較大。
共燒法（LTCC/HTCC）
共燒法是很常用的一種多層陶瓷燒結(jié)工藝，內(nèi)部可以布線，表層可以金屬化。一般共燒陶瓷有兩種，一種是HTCC(高溫共燒工藝)，一種是LTCC(低溫共燒工藝)。
HTCC需要很高的燒結(jié)溫度，使用者已經(jīng)極少，基本被LTCC代替，LTCC技術(shù)是支撐高性能基板的技術(shù)之一，加工成多層基板的LTCC常被用作高頻模塊基板。
化學(xué)鍍金屬化法
化學(xué)鍍法是指在沒有外電流通過，利用還原劑將溶液中的金屬離子還原在呈催化活性的物體表面，使之形成金屬鍍層�；瘜W(xué)鍍法金屬化機(jī)理主要是機(jī)械聯(lián)鎖結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度很大程度上依賴于基體表面的粗糙度，在一定范圍內(nèi)，基體表面的粗糙度越大，結(jié)合強(qiáng)度越高。
激光金屬化法
激光金屬化法利用激光的熱效應(yīng)使AlN表面發(fā)生熱分解，直接生成金屬導(dǎo)電層。激光照射到AlN陶瓷表面后，陶瓷表面吸收激光的能量，表面溫度上升。當(dāng)AlN表面溫度達(dá)到熱分解溫度時(shí)，AlN表面就會(huì)發(fā)生熱分解，析出金屬鋁。具有成本低、效率高、設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。
陶瓷金屬技術(shù)：新能源汽車散熱解決方案
陶瓷繼電器
高壓直流真空繼電器，在由金屬與陶瓷封接的真空腔體中，陶瓷絕緣子滑動(dòng)連接在動(dòng)觸點(diǎn)組件與推動(dòng)桿之間，使動(dòng)觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)無論是在導(dǎo)通成斷開的任何狀態(tài)下都與繼電器的導(dǎo)磁軛鐵板、鐵芯等零件構(gòu)成的磁路系統(tǒng)保持良好的電絕緣，從而保證了繼電器在切換直流高電壓負(fù)載時(shí)的斷弧能力，電弧是汽車自燃的主要原因。只有采用“無弧”接通分?jǐn)嗟睦^電器產(chǎn)品，才是從根本上解決“自燃”問題的良方。
繼電器陶瓷殼體，來源：安地亞斯
IGBT領(lǐng)域
陶瓷覆銅板是銅-陶瓷-銅“三明治”結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，具有陶瓷的散熱性好、絕緣性高、機(jī)械強(qiáng)度高、熱膨脹與芯片匹配的特性，又兼有無氧銅電流承載能力強(qiáng)、焊接和鍵合性能好、熱導(dǎo)率高的特性，幾乎成為SiC MOSFET在新能源汽車領(lǐng)域主驅(qū)應(yīng)用的必選項(xiàng)。
SiC MOSFET封裝模塊剖面圖，來源：低溫?zé)Y(jié)銀、中信建投
目前，AMB技術(shù)實(shí)現(xiàn)了氮化鋁和氮化硅陶瓷與銅片的覆接，可大幅提高陶瓷基板可靠性，逐步成為中高端IGBT模塊散熱電路板主要應(yīng)用類型。據(jù)資料顯示，意法半導(dǎo)體，比亞迪半導(dǎo)以及時(shí)代電氣都確定了AMB氮化硅基板上車的技術(shù)路線。
LED封裝領(lǐng)域
近幾年來，LED技術(shù)在汽車照明系統(tǒng)中占有越來越重要的地位，對(duì)于現(xiàn)有LED光效水平而言，由于輸入電能的80-85%左右轉(zhuǎn)變成熱量，且LED芯片面積小，工作電流大，造成芯片工作的溫度高，因此，芯片散熱是LED封裝必須解決的關(guān)鍵問題。
AlN基板覆銅在LED領(lǐng)域
氮化鋁陶瓷基板由于其具有高導(dǎo)熱性、散熱快且成本相對(duì)合適的優(yōu)點(diǎn)，受到越來越多的LED制造企業(yè)的青睞，廣泛的應(yīng)用于高亮度LED封裝、紫外LED等。
最后
雖然陶瓷與金屬的連接方法很多，但每種方法都有其自身的優(yōu)點(diǎn)和局限性，甚至有些方法還處于實(shí)驗(yàn)研究階段，一時(shí)難以實(shí)用化。如何對(duì)高熱導(dǎo)率陶瓷材料進(jìn)行強(qiáng)結(jié)合金屬化，應(yīng)對(duì)高溫焊接及應(yīng)對(duì)長(zhǎng)期使用過程中高低溫振蕩，將成為亟待深入研究的熱門話題。
參考來源：
范彬彬等：陶瓷與金屬連接的研究及應(yīng)用進(jìn)展
秦典成等：陶瓷金屬化研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
新材料在線：陶瓷邂逅金屬化新技術(shù)，未來5G再下一城
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（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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