中國粉體網(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)展趨勢日益明顯，散熱問題的重要性也越來越突出，這無疑對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。
表面金屬化對陶瓷基板的制作而言是至關(guān)重要的一環(huán)，這是因為金屬在高溫下對陶瓷表面的潤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)下實現(xiàn)連接，如直接覆銅法、直接敷鋁法、厚膜法等等。但事實證明能夠與某一特定陶瓷直接進行結(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，中國粉體網(wǎng)將于2023年9月12日在合肥舉辦“第一屆電動車用陶瓷材料技術(shù)研討會”。屆時，來自清華大學(xué)潘偉教授將帶來題為《電動車用高導(dǎo)熱陶瓷基板金屬化技術(shù)》，潘偉教授將簡要介紹現(xiàn)已有的幾種金屬化方法，闡述其團隊近幾年開發(fā)的新型的利用等離子噴涂實現(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)，歡迎報名參會。）
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。
該方法工藝簡單，但受限于導(dǎo)電漿料和絲網(wǎng)尺寸，不適合小批量、精細基板的生產(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)合強度高。但薄膜金屬化需要后續(xù)圖形化工藝實現(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、附著強度高、機械性能優(yōu)良、便于刻蝕、絕緣性及熱循環(huán)能力高的優(yōu)點。DBC技術(shù)主要的缺點是銅箔厚度較大，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)釬料潤濕的反應(yīng)層，從而實現(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行化學(xué)反應(yīng)來實現(xiàn)結(jié)合，因此其結(jié)合強度更高，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)鍍法金屬化機理主要是機械聯(lián)鎖結(jié)合，結(jié)合強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表面溫度達到熱分解溫度時，AlN表面就會發(fā)生熱分解，析出金屬鋁。具有成本低、效率高、設(shè)備維護簡單等優(yōu)點，在生產(chǎn)實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，陶瓷絕緣子滑動連接在動觸點組件與推動桿之間，使動觸點和靜觸點無論是在導(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載時的斷弧能力，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、機械強度高、熱膨脹與芯片匹配的特性，又兼有無氧銅電流承載能力強、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。
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、散熱快且成本相對合適的優(yōu)點，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)點和局限性，甚至有些方法還處于實驗研究階段，一時難以實用化。如何對高熱導(dǎo)率陶瓷材料進行強結(jié)合金屬化，應(yīng)對高溫焊接及應(yīng)對長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)用進展
秦典成等：陶瓷金屬化研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
新材料在線：陶瓷邂逅金屬化新技術(shù)，未來5G再下一城
中國粉體網(wǎng)
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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