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电子器件的散热有多重要？
对于电子器件而言，通常温度每升高10°C，器件有效寿命就降低30%~50%。因此，选用合适的封装材料与工艺、提高器件散热能力就成为发展功率器件的技术瓶颈。
（图片来源：深圳市金瑞欣特种电路技术有限公司）
陶瓷基板材料选择
良好的器件散热依赖于优化的散热结构设计、封装材料选择（热界面材料与散热基板）及封装制造工艺等。其中，基板材料的选用是关键环节，直接影响到器件成本、性能与可靠性。
目前，陶瓷基板虽然不是处于主导地位，但由于其良好的导热性、耐热性、绝缘性、低热膨胀系数和成本的不断降低，在电子封装特别是功率电子器件如IGBT（绝缘栅双极晶体管）、LD（激光二极管）、大功率LED（发光二极管）、CPV（聚焦型光伏）封装中的应用越来越广泛。陶瓷基板材料主要有Al2O3、BeO、AlN、Si3N4、SiC等。
（1）Al2O3陶瓷基板
Al2O3陶瓷基板由于价格低廉、力学性能较好，而且工艺技术纯熟，是目前应用最为广泛的陶瓷基板材料。但是Al2O3陶瓷的热导率较低（24W/(m•k），在一定程度上限制了其在大功率电子产品中的应用。
（2）BeO陶瓷基板
BeO陶瓷导热性能优良，综合性能良好，能够满足较高的电子封装要求，但是其热导率随温度波动变化较大，温度升高其热导率大幅下降。此外，BeO有剧毒，已逐渐淡出封装应用领域。
（3）SiC陶瓷基板
SiC陶瓷具有很高的热导率，热膨胀系数也与Si接近，而且SiC的物理性能较好，具有高耐磨性和高硬度，但是SiC是强共价键化合物，烧结温度高达2000多摄氏度，而且需要加入少量的烧结助剂才能烧结致密，导致SiC陶瓷基板制备能耗大，生产成本高。
（4）Si3N4陶瓷基板
Si3N4陶瓷的热导率与抗弯强度较高，能满足集成电路向高集成化、多层化、轻型化等特性发展，另外Si3N4陶瓷的强度和断裂韧性较高，耐热疲劳性能良好，是一种有着良好发展前景的高热导率高强度陶瓷基板材料。
（5）AlN陶瓷基板
AlN陶瓷作为一种新型的LED封装基板材料，具有热导率高（其理论热导率可达320W/(m•k）)、强度高、热膨胀系数低、介电损耗小、耐高温及化学腐蚀，而且无毒环保等优良性能，是被国内外一致看好最具发展前景的一种陶瓷材料。
直接镀铜陶瓷基板（DPC）
（图片来源：同欣电子）
DPC又称直接镀铜陶瓷基板。其制作首先将陶瓷基片进行前处理清洗，利用真空溅射方式在基片表面沉积Ti/Cu层作为种子层，接着以光刻、显影、刻蚀工艺完成线路制作，最后再以电镀/化学镀方式增加线路厚度，待光刻胶去除后完成基板制作。
DPC基板制备工艺流程
DPC的优点与不足
优点：
（1）低温工艺（300℃以下），完全避免了高温对材料或线路结构的不利影响，也降低了制造工艺成本。
（2）采用薄膜与光刻显影技术，使基板上的金属线路更加精细（线宽尺寸20~30μm，表面平整度低于0.3μm，线路对准精度误差小于±1%），因此DPC基板非常适合对准精度要求较高的电子器件封装。
缺点：
（1）电镀沉积铜层厚度有限，且电镀废液污染大；
（2）金属层与陶瓷间的结合强度较低，产品应用时可靠性较低；
（3）电镀生长速度低，线路层厚度有限(一般控制在10μm~100μm)，难以满足大电流功率器件封装需求。
DPC关键技术
1、金属线路层与陶瓷基片的结合强度
由于金属与陶瓷间热膨胀系数差较大，为降低界面应力，需要在铜层与陶瓷间增加过渡层，从而提高界面结合强度。由于过渡层与陶瓷间的结合力主要以扩散附着及化学键为主，因此常选择Ti、Cr和Ni等活性较高、扩散性好的金属作为过渡层(同时作为电镀种子层)。
2、电镀填孔
电镀填孔也是DPC陶瓷基板制备的关键技术。目前DPC基板电镀填孔大多采用脉冲电源，其技术优势包括：易于填充通孔，降低孔内镀层缺陷；表面镀层结构致密，厚度均匀；可采用较高电流密度进行电镀，提高沉积效率。
DPC基板应用
1、IGBT封装
绝缘栅双极晶体管以输入阻抗高、开关速度快、通态电压低、阻断电压高等特点，成为当今功率半导体器件发展主流。其应用小到变频空调、静音冰箱、洗衣机、电磁炉、微波炉等家用电器，大到电力机车牵引系统等。由于IGBT输出功率高，发热量大，因此对IGBT封装而言，散热是关键。目前IGBT封装主要采用DBC陶瓷基板，原因在于DBC具有金属层厚度大，结合强度高(热冲击性好)等特点。
2、LD封装
激光二极管(LD)又称半导体激光器，是一种基于半导体材料受激辐射原理的光电器件，具有体积小、寿命长、易于泵浦和集成等特点。广泛应用于激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等领域。温度与半导体激光器的输出功率有较大关系。散热是LD封装关键。由于LD器件电流密度大，热流密度高，陶瓷基板成为LD封装的首选热沉材料。
3、LED封装
纵观LED技术发展，功率密度不断提高，对散热的要求也越来越高。由于陶瓷具有的高绝缘、高导热和耐热、低膨胀等特性，特别是采用通孔互联技术，可有效满足LED倒装、共晶、COB(板上芯片)、CSP(芯片规模封装)、WLP(圆片封装)封装需求，适合中高功率LED封装。
4、光伏(PV)模组封装
光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光直接转化为电能。由于聚焦作用导致太阳光密度增加，芯片温度升高，必须采用陶瓷基板强化散热。实际应用中，陶瓷基板表面的金属层通过热界面材料(TIM)分别与芯片和热沉连接，热量通过陶瓷基板快速传导到金属热沉上，有效提高了系统光电转换效率与可靠性。
中国粉体网将在郑州举办“2021第四届新型陶瓷技术与产业高峰论坛”。届时，来自华中科技大学的陈明祥教授带来题为《高性能陶瓷电路板技术研发与应用》的报告，陈明祥教授将重点介绍电镀陶瓷基板（DPC）技术研发、产业化及其在功率半导体、高温电子器件、高频晶振、小型热电制冷器TEC等领域应用，并对相关技术发展进行展望。（鉴于当前防控需要，原定于2021年8月13-14日在郑州喆鹏酒店举办的“第四届新型陶瓷技术与产业高峰论坛”将延期举办，计划参会的单位可以联系会务组，具体举办日期主办方确定后将第一时间通知您！）
专家介绍：
陈明祥，华中科技大学机械学院教授/博士生导师，武汉光电国家研究中心研究员，广东省珠江学者讲座教授。本科和硕士毕业于武汉理工大学材料学院，博士毕业于华中科技大学光电学院，美国佐治亚理工学院封装研究中心博士后。主要从事先进电子封装与微纳制造技术研究，主持和参与各类科研项目20余项，发表学术论文60余篇（其中SCI检索40余篇），获授权发明专利20余项（其中DPC陶瓷基板技术已通过专利转让实现产业化）。曾获国家技术发明二等奖（2016）、教育部技术发明一等奖（2015）、武汉东湖高新区“3551光谷人才”（2012）、广东省科学技术三等奖（2010）等。
参考来源：
[1]程浩，陈明祥等.电子封装陶瓷基板
[2]程浩，陈明祥等.功率电子封装用陶瓷基板技术与应用进展
[3]吴朝晖，陈明祥等.大功率LED封装基板技术与发展现状
（中国粉体网编辑整理/山川）
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