常見陶瓷基板PCB板介紹

陶瓷基板PCB

陶瓷基板是指銅箔在高溫下直接鍵合到氧化鋁(Al2O3)或氮化鋁(AlN)陶瓷基片表面( 單面或雙面)上的特殊工藝板。所制成的超薄復合基板具有優(yōu)良電絕緣性能，高導熱特性，優(yōu)異的軟釬焊性和高的附著強度，并可像PCB板一樣能刻蝕出各種圖形，具有很大的載流能力。因此，陶瓷基板已成為大功率電力電子電路結構技術和互連技術的基礎材料。

igbt裸片加陶瓷基板底部水冷散熱方案

陶瓷基板

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陶瓷基板產品的問世，開啟了散熱應用行業(yè)的新發(fā)展，由于陶瓷基板散熱特色，加上陶瓷基板具有高散熱、低熱阻、壽命長、耐電壓等優(yōu)點，隨著生產技術、設備的改良，產品價格加速合理化，進而擴大了LED產業(yè)的應用領域，如家電產品的指示燈、汽車車燈、路燈及戶外大型看板等。陶瓷基板的開發(fā)成功，為室內照明和戶外亮化產品提供了更佳的服務，使LED產業(yè)未來的市場領域更為寬廣。

特點
◆機械應力強，形狀穩(wěn)定；高強度、高導熱率、高絕緣性；結合力強，防腐蝕。
◆ 較好的熱循環(huán)性能，循環(huán)次數達5萬次，可靠性高。
◆與PCB板(或IMS基片)一樣可刻蝕出各種圖形的結構；無污染、無公害。
◆使用溫度寬-55℃～850℃；熱膨脹系數接近硅，簡化功率模塊的生產工藝。

種類

一、按材料來分
1、氧化鋁(Al2O3)
氧化鋁基板是電子工業(yè)中最常用的基板材料，因為在機械、熱、電性能上相對于大多數其他氧化物陶瓷，強度及化學穩(wěn)定性高，且原料來源豐富，適用于各種各樣的技術制造以及不同的形狀。斯利通氧化鋁基板已經可以進行三維定制。

2、氧化鈹(BeO)
具有比金屬鋁還高的熱導率，應用于需要高熱導的場合，但溫度超過300℃后迅速降低，最重要的是由于其毒性限制了自身的發(fā)展。

氧化鈹陶瓷是以氧化鈹為主要成分的陶瓷。主要用作大規(guī)模集成電路基板，大功率氣體激光管，晶體管的散熱片外殼，微波輸出窗和中子減速劑等材料。

純氧化鈹(BeO)屬立方晶系，其密度3.03g/cm3。熔點2570℃，具有很高的導熱性，幾乎與紫銅純鋁相等，導熱系數λ為200-250W/(m.K)，還有很好的抗熱震性。其介電常數6～7（0.1MHz)。介質損耗角正切值約為4×10-4(0.1GHz)。最大缺點是粉末有劇毒性，且使接觸傷口難于愈合。以氧化鈹粉末為原料加入氧化鋁等配料經高溫燒結而成。制造這種陶瓷需要良好的防護措施。氧化鈹在含有水氣的高溫介質中，揮發(fā)性會提高，1000℃開始揮發(fā)，并隨溫度升高揮發(fā)量增大，這就給生產帶來困難，有些國家已不生產。但制品性能優(yōu)異，雖價格較高，仍有相當大的需求量。

3 、氮化鋁(AlN)
AlN有兩個非常重要的性能值得注意：一個是高的熱導率，一個是與Si相匹配的膨脹系數。缺點是即使在表面有非常薄的氧化層也會對熱導率產生影響，只有對材料和工藝進行嚴格控制才能制造出一致性較好的AlN基板。AlN生產技術國內像斯利通這樣能大規(guī)模生產的少之又少，相對于Al2O3，AlN價格相對偏高許多，這個也是制約其發(fā)展的小瓶頸。不過隨著經濟的提升，技術的升級，這種瓶頸終會消失。
綜合以上原因，可以知道，氧化鋁陶瓷由于比較優(yōu)越的綜合性能，在微電子、功率電子、混合微電子、功率模塊等領域還是處于主導地位而被大量運用。

氧化鋁

AlN最高可穩(wěn)定到2200℃。室溫強度高，且強度隨溫度的升高下降較慢。導熱性好，熱膨脹系數小，是良好的耐熱沖擊材料?？谷廴诮饘偾治g的能力強，是熔鑄純鐵、鋁或鋁合金理想的坩堝材料。氮化鋁還是電絕緣體，介電性能良好，用作電器元件也很有希望。砷化鎵表面的氮化鋁涂層，能保護它在退火時免受離子的注入。氮化鋁還是由六方氮化硼轉變?yōu)榱⒎降鸬拇呋瘎?。室溫下與水緩慢反應.可由鋁粉在氨或氮氣氛中800~1000℃合成，產物為白色到灰藍色粉末?；蛴葾l2O3-C-N2體系在1600~1750℃反應合成，產物為灰白色粉末?；蚵然X與氨經氣相反應制得.涂層可由AlCl3-NH3體系通過氣相沉積法合成。

4.氮化硅 (Si3N4)

羅杰斯公司于2012年推出了新款 curamik?系列氮化硅 (Si3N4) 陶瓷基板。由于氮化硅的機械強度比其它陶瓷高，所以新款curamik? 基板能夠幫助設計者在嚴苛的工作環(huán)境以及 HEV/EV 和其它可再生能源應用條件下實現至關重要的長壽命。

采用氮化硅制成的新款陶瓷基板的撓曲強度比采用 Al2O3和 AlN 制成的基板高。
Si3N4的斷裂韌性甚至超過了氧化鋯摻雜陶瓷。

時至今日，功率模塊內使用的覆銅陶瓷基板的可靠性一直受制于陶瓷較低的撓曲強度，而后者會降低熱循環(huán)能力。對于那些整合了極端熱和機械應力的應用（例如混合動力汽車和電動汽車 (HEV/EV) 而言，目前常用的陶瓷基板不是最佳選擇?；澹ㄌ沾桑┖蛯w（銅）的熱膨脹系數存在很大差異，會在熱循環(huán)期間對鍵合區(qū)產生壓力，進而降低可靠性。在今年的 PCIM 展上羅杰斯公司推出的該款 curamik? 系列氮化硅 (Si3N4) 陶瓷基板，將使電力電子模塊的壽命延長10倍之多。

隨著 HEV/EV 和可再生能源應用的增長，設計者找到了新方法來確保這些推動極具挑戰(zhàn)性的新技術發(fā)展所需的電子元件的可靠性。由于工作壽命比電力電子使用的其它陶瓷長10倍或者更高，所以氮化硅基板能夠提供對于達到必要的可靠性要求至關重要的機械強度。陶瓷基板的壽命是由在不出現剝離和其它影響電路功能與安全的故障的情況下，基板可以承受的熱循環(huán)重復次數來衡量的。該測試通常是通過從 -55°C 到 125°C 或者 150°C 對樣品進行循環(huán)運行來完成的。

curamik? 產品市場經理 Manfred Goetz 說：“我們目前的測試結果（-55°C至150°C）表明，curamik? 氮化硅基板的使用壽命比汽車市場，特別是 HEV/EV，通常使用的基板長十倍以上。同樣使用氮化硅基板也令整個模塊的壽命大大提升?！?/span>

使用壽命的延長對于所有將大型半導體晶片直接鍵合到基板上的功率模塊應用而言都至關重要，并且對結溫較高（高達250°C）的 SiC 和 GaN 晶片尤為重要。curamik? 氮化硅基板的熱導率為 90 W/mK，超過了市面上其它基板的平均值。

新款基板的機械強度使我們能夠利用更薄的陶瓷層，從而降低了熱阻，提高了功率密度，削減了系統成本。

與Al2O3 和 AlN 基板相比，其撓曲強度改善了很多, 設計師們將因此而受益。氮化硅的斷裂韌性甚至超過了氧化鋯摻雜陶瓷，在 90 W/mK 的熱導率下達到了6.5~7 MPa/√m。

二、按制造工藝來分
現階段較普遍的陶瓷散熱基板種類共有HTCC、LTCC、DBC、DPC、LAM五種，其中LAM屬于斯利通與華中科技大學國家光電實驗室合作的專利技術，HTCC\LTCC都屬于燒結工藝，成本都會較高。

優(yōu)越性

◆陶瓷基板的熱膨脹系數接近硅芯片，可節(jié)省過渡層Mo片，省工、節(jié)材、降低成本；
◆減少焊層，降低熱阻，減少空洞，提高成品率；
◆在相同載流量下 0.3mm厚的銅箔線寬僅為普通印刷電路板的10%；
◆ 優(yōu)良的導熱性，使芯片的封裝非常緊湊，從而使功率密度大大提高，改善系統和裝置的可靠性；
◆ 超薄型(0.25mm)陶瓷基板可替代BeO，無環(huán)保毒性問題；
◆載流量大，100A電流連續(xù)通過1mm寬0.3mm厚銅體，溫升約17℃；100A電流連續(xù)通過2mm寬0.3mm厚銅體，溫升僅5℃左右；
◆熱阻低，10×10mm陶瓷基板的熱阻0.63mm厚度陶瓷基片的熱阻為0.31K/W ，0.38mm厚度陶瓷基片的熱阻為0.19K/W，0.25mm厚度陶瓷基片的熱阻為0.14K/W。
◆ 絕緣耐壓高，保障人身安全和設備的防護能力。
◆ 可以實現新的封裝和組裝方法，使產品高度集成，體積縮小。

性能要求

（1）機械性質
有足夠高的機械強度，除搭載元件外，也能作為支持構件使用；加工性好，尺寸精度高；容易實現多層化；
表面光滑，無翹曲、彎曲、微裂紋等。
（2）電學性質
絕緣電阻及絕緣破壞電壓高；
介電常數低；
介電損耗?。?/span>
在溫度高、濕度大的條件下性能穩(wěn)定，確保可靠性。
（3）熱學性質
熱導率高；
熱膨脹系數與相關材料匹配（特別是與Si的熱膨脹系數要匹配）；
耐熱性優(yōu)良。
（4）其它性質
化學穩(wěn)定性好；容易金屬化，電路圖形與其附著力強；
無吸濕性；耐油、耐化學藥品；a射線放出量??；
所采用的物質無公害、無毒性；在使用溫度范圍內晶體結構不變化；
原材料豐富；技術成熟；制造容易；價格低。

用途
◆ 大功率電力半導體模塊；半導體致冷器、電子加熱器；射頻功率控制電路，功率混合電路。
◆智能功率組件；高頻開關電源，固態(tài)繼電器。
◆汽車電子，航天航空及軍用電子組件。
◆太陽能電池板組件；電訊專用交換機，接收系統；激光等工業(yè)電子。

陶瓷封裝將成為主流電子封裝技術

常用的八大陶瓷基板材料導熱率排行榜

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