陶瓷基板制备技术
陶瓷基板用技术不同命名有七大种类，今天详细阐述一下这个七大技术的原理，制备原理、工艺流程、技术特点和具体应用以及发展趋势。
陶瓷基板发展的背景
第一代半导体以硅(Si)、锗(Ge)材料为代表，主要应用在数据运算领域，奠定了微电子产业基础。第二代半导体以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表，主要应用于通信领域，用于制作高性能微波、毫米波及发光器件，奠定了信息产业基础。随着技术发展和应用需要的不断延伸，二者的局限性逐渐体现出来，难以满足高频、高温、高功率、高能效、耐恶劣环境以及轻便小型化等使用需求。
以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料具有禁带宽度大、临界击穿电压高、热导率高、载流子饱和漂移速度大等特点，其制作的电子器件可在°C甚至更高温度下稳定工作(又称为功率半导体或高温半导体)，是固态光源(如LED)、激光器(LD)、电力电子(如IGBT)、聚焦光伏(CPV)、微波射频(RF)等器件的“核芯”。
在半导体照明、汽车电子、新一代移动通信(5G)、新能源与新能源汽车、高速轨道交通、消费类电子等领域具有广阔的应用前景，有望突破传统半导体技术瓶颈，与第一代、第二代半导体技术互补，在光电器件、电力电子、汽车电子、航空航天、深井钻探等领域具有重要应用价值，对节能减排、产业转型升级、催生新经济增长点将发挥重要作用。
伴随着功率器件(包括LED、LD、IGBT、CPV等)不断发展，散热成为影响器件性能与可靠性的关键技术。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。
以大功率LED封装为例，由于输入功率的70%~80%转变成为热量(只有约20%~30%转化为光能)，且LED芯片面积小，器件功率密度很大(大于W/cm2)，因此散热成为大功率LED封装必须解决的关键问题。
如果不能及时将芯片发热导出并消散，大量热量将聚集在LED内部，芯片结温将逐步升高，一方面使LED性能降低(如发光效率降低、波长红移等)，另一方面将在LED器件内部产生热应力，引发一系列可靠性问题(如使用寿命、色温变化等)。
陶瓷基板的七大技术类型
随着功率器件特别是第三代半导体的崛起与应用，半导体器件逐渐向大功率、小型化、集成化、多功能等方向发展，对封装基板性能也提出了更高要求。
陶瓷基板(又称陶瓷电路板)具有热导率高、耐热性好、热膨胀系数低、机械强度高、绝缘性好、耐腐蚀、抗辐射等特点，在电子器件封装中得到广泛应用。
本文分析了常用陶瓷基片材料(包括Al2O3、AlN、Si3N4、BeO、SiC和BN等)的物理特性，重点对各种陶瓷基板(包括薄膜陶瓷基板TFC、厚膜印刷陶瓷基板TPC、直接键合陶瓷基板DBC、直接电镀陶瓷基板DPC、活性金属焊接陶瓷基板AMB、激光活化金属陶瓷基板LAM以及各种三维陶瓷基板等)。
陶瓷基板制备技术
陶瓷基板又称陶瓷电路板，包括陶瓷基片和金属线路层。对于电子封装而言，封装基板起着承上启下，连接内外散热通道的关键作用，同时兼有电互连和机械支撑等功能。陶瓷具有热导率高、耐热性好、机械强度高、热膨胀系数低等优势，是功率半导体器件封装常用的基板材料。根据封装结构和应用要求，陶瓷基板可分为平面陶瓷基板和三维陶瓷基板两大类。
2.1平面陶瓷基板
根据制备原理与工艺不同，平面陶瓷基板可分为
薄膜陶瓷基板(ThinFilmCeramicSubstrate,TFC)、
厚膜印刷陶瓷基板(ThickPrintingCeramicSubstrate,TPC)、
直接键合铜陶瓷基板(DirectBondedCopperCeramicSubstrate,DBC)、
活性金属焊接陶瓷基板(ActiveMetalBrazingCeramicSubstrate,AMB)、
直接电镀铜陶瓷基板(DirectPlatedCopperCeramicSubstrate,DPC)
激光活化金属陶瓷基板(LaserActivatedMetallizationCeramicSubstrate,LAM)等。
薄膜陶瓷基板(TFC）的制备原理、工艺流程和技术特点
薄膜陶瓷基板一般采用溅射工艺直接在陶瓷基片表面沉积金属层。如果辅助光刻、显影、刻蚀等工艺，还可将金属层图形化制备成线路，如图6所示。
由于溅射镀膜沉积速度低(一般低于1μm/h)，因此TFC基板表面金属层厚度较小(一般小于1μm)，可制备高图形精度(线宽/线距小于10μm)陶瓷基板，主要应用于激光与光通信领域小电流器件封装。
厚膜印刷陶瓷基板(TPC)技术工艺和特点
通过丝网印刷将金属浆料涂覆在陶瓷基片上，干燥后经高温烧结(温度一般在°C~°C)制备TPC基板，其工艺流程如图7所示。
根据金属浆料粘度和丝网网孔尺寸不同，制备的金属线路层厚度一般为10μm~20μm(提高金属层厚度可通过多次丝网印刷实现)。TFC基板制备工艺简单，对加工设备和环境要求低，具有生产效率高、制造成本低等优点。
但是，由于丝网印刷工艺限制，TFC基板无法获得高精度线路(最小线宽/线距一般大于μm)。此外，为了降低烧结温度，提高金属层与陶瓷基片结合强度，通常在金属浆料中添加少量玻璃相，这将降低金属层电导率和热导率。
因此TPC基板仅在对线路精度要求不高的电子器件(如汽车电子)封装中得到应用。TPC基板样品及其截面图如图8所示。
目前TPC基板关键技术在于制备高性能金属浆料。金属浆料主要由金属粉末、有机载体和玻璃粉等组成。浆料中可供选择的导体金属有Au、Ag、Ni、Cu和Al等。银基导电浆料因其具有较高的导电、导热性能及相对低廉的价格而应用广泛(占金属浆料市场80%以上份额)。
研究表明，银颗粒粒径颗粒粒径、形貌等对导电层性能影响很大。如Park等人通过加入适量纳米银颗粒降低了银浆电阻率:Zhou等人指出金属层电阻率随着球状银颗粒尺寸减小而降低,片状银粉(尺寸6m)制备的金属浆料电阻率远小于同样尺寸球状银粉制备的浆料。
直接键合陶瓷基板(DBC)工艺流程和技术特点
DBC陶瓷基板制备首先在铜箔(Cu)和陶瓷基片(Al2O3或AN间引入氧元素,然后在°C形成CuO共晶相(金属铜熔点为°C),进而与陶瓷基片和铜箔发生反应生成CuAO2或Cu(AO2)2,实现铜箔与陶瓷间共晶键合,其制备工艺和产品分别如图9和图10所示。
由于陶瓷和铜具有良好的导热性，且铜箔与陶瓷间共晶键合强度高，因此DBC基板具有较高的热稳定性，已广泛应用于绝缘栅双极二极管(GBT)、激光器(LD)和聚焦光伏(CPV)等器件封装散热中。
DBC基板铜箔厚度较大(一般为μm-μm)，可满足高温、大电流等极端环境下器件封装应用需求(为降低基板应力与制曲，一船采用C1-A1O2C的三明治结构.日上下铜层厚度相同)。
虽然DBC基板在实际应用中有诸多优势，但在制备过程中要严格控制共晶温度及氧含量，对设备和工艺控制要求较高，生产成本也较高。
此外，由于厚铜刻蚀限制，无法制备出高精度线路层在DBC基板制备过程中，氧化时间和氧化温度是最重要的两个参数。
铜箔经预氧化后，键合界面能形成足够CuxOy相润湿Al2O3陶瓷与铜箔，具有较高的结合强度；若铜箔未经过预氧化处理，CuxOy润湿性较差，键合界面会残留大量空洞和缺陷，降低结合强度及热导率。
对于采用AlN陶瓷制备DBC基板，还需对陶瓷基片进行预氧化，先生成Al2O3薄膜，再与铜箔发生共晶反应。谢建军等人用DBC技术制备Cu/Al2O3、Cu/AlN陶瓷基板，铜箔和AlN陶瓷间结合强度超过8N/mm，铜箔和AlN间存在厚度为2μm的过渡层，其成分主要为Al2O3、CuAlO2和Cu2O。
目前，制备活性焊料是AMB基板制备关键技术。活性焊料的最初报道是年Bondley采用TiH2活性金属法连接陶瓷与金属，在此基础上，Bender等人提出Ag-Cu-Ti活性焊接法。
活性焊料主要分为高温活性焊料(活性金属为Ti、V和Mo等，焊接温度0°C~°C)、中温活性焊料(活性金属为Ag-Cu-Ti，焊接温度°C~°C，保护气体或真空下焊接)和低温活性焊料(活性金属为Ce、Ga和Re，焊接温度°C~°C)。
中高温活性焊料成分简单，操作容易，焊接界面机械强度高，在金属-陶瓷焊接中得到广泛应用。Naka等人分别采用Cu60Ti34活性焊料焊接Si3N4陶瓷和NiTi50活性焊料焊接SiC，前者室温下焊接界面剪切强度达到.8MPa，而后者在室温、°C和°C时的焊接界面剪切强度分别为MPa、MPa和MPa。
由于DBC陶瓷基板制备工艺温度高，金属-陶瓷界面应力大，因此AMB技术越来越受到业界
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