許多固态電力電子設備包括用于大功率LED、射頻/微波、電動汽車、電氣基礎設施和軍事應用等，都是依賴于物理和耐熱的陶瓷基闆材料作為基礎。這些陶瓷材料與導熱和導電金屬結合，能助于将熱能傳遞到散熱器，而散熱器并遠離關鍵設備或組件的有源區域，同時将電力電子設備與接地屏蔽層和外殼電絕緣。

由于固态電力電子器件和組件以及應用的多樣性，可以進行廣泛的基闆制造技術和預處理。在技術中包括對幾個最常見的讨論，電力電子基闆制造方法和預制處理步驟對于滿足廣泛應用的高功率電子性能要求至關重要，下面詳細描述有關陶瓷材料選擇對每種陶瓷基闆制造工藝的影響進一步了解。

一、電力電子陶瓷基闆

典型的電力電子陶瓷基闆由結合到金屬層的陶瓷基闆組成，這使得創建機械和環境堅固的基闆成為可能，電力電子設備可以從該基闆可靠地放置和溫度循環，同時基闆将熱分散到組件主體或散熱器。此外，陶瓷基闆材料和金屬層之間的粘合有助于防止金屬，它通常具有比半導體和陶瓷高得多的熱膨脹系數，不會在更高的溫度下膨脹并損壞電力電子元件和設備中使用的半導體。

在這方面，基于陶瓷材料的基闆的性能優于有機絕緣基闆，因為陶瓷材料随着時間的推移更好地保持其尺寸穩定性，而有機絕緣基闆随着時間的推移而劣化。具有較厚的絕緣基闆（較厚的陶瓷基材）會對基闆的導熱性産生負面影響，但同時也會增加基闆的電絕緣性，這是必須考慮的。

在選擇陶瓷材料和基闆厚度之前，先了解一下。此外，對于較大的裸片尺寸而言，具有更接近功率器件的半導體CTE是理想的，因為在溫度循環期間将在芯片上引起較小的機械應變。

陶瓷材料有幾種常見的方法和組合和金屬來開發電力電子基闆，其中包括直接鍵合銅（DBC）、活性金屬釺焊（AMB）和厚印刷銅（TPC）。下面将描述這些基闆制造方法的特點以及它們如何與各種陶瓷基闆配對。

1、直接鍵合銅（DBC）

DBC是一種非常常見的工藝，其中銅氧化物（共晶鍵）在氮和氧氣氛以及非常高的溫度（接近1070攝氏度）下在銅片與陶瓷基闆中的氧化物之間形成。DBC不需要中間層材料，但溫度必須保持在1085攝氏度以下，因為銅在此溫度下會熔化。DBC通常是一個兩層工藝，其中基闆的背面是實心且無特征的銅片，其中每層的頂部銅層使用化學蝕刻構造或用于開發電路迹線，底部銅層通常焊接到散熱器上。

由于該⼯藝的成本相對較低，氧化鋁通常與DBC⼯藝⼀起使⽤，以開發低成本的陶瓷基闆。然⽽，與DBC共晶鍵合的敏感性使得開發⼤型DBC的高産量⼤規模⽣産⼯藝具有挑戰性。AlN和BeO也⽤于制造DBC陶瓷基闆。雖然更昂貴，但AlN和BeO基材的導熱性⽐氧化鋁高得多，氮化鋁的導熱性是氧化鋁的七到⼋倍，BeO的導熱性是氮化鋁的兩倍。AlN還提供⽐氧化鋁更接近Si和SiC半導體芯⽚的CTE，但在機械上也⽐氧化鋁或BeO弱。因此，對于相同的機械強度，需要更厚的氮化鋁闆。氮化鋁DBC陶瓷基闆還需要額外的精密研磨和受控氧化階段，以實現适當的共晶鍵合。

厚銅箔和高性能陶瓷材料使DBC基闆具有良好的機械強度和可靠性，并具有良好的導熱性。DBC基闆的厚銅也表現出優異的導電性，⽽厚陶瓷在頂部電路層和接地底層之間提供了實質性的電絕緣，焊接和粗線階段也很容易在DBC陶瓷基闆上進行。

2、活性金屬釺焊（AMB）

對于AMB工藝金屬箔（通常是銅），使用真空釺焊工藝與陶瓷結合。在AMB期間最常使用銀和銅，以及額外的钛或铟釺焊材料。AMB溫度範圍為800到1000攝氏度，通常比釺焊合金的熔化溫度高50到100攝氏度。AMB陶瓷基闆在真空或惰性氣氛中制造，以防止高反應性釺焊合金的化學作用。

AMB陶瓷基闆通常由氧化鋁或氮化鋁組成，氧化鋁AMB陶瓷基闆可以受益于比氮化鋁AMB基闆更厚的銅箔層，因為氧化鋁更高的機械強度有助于防止金屬與半導體的CTE不匹配對半導體造成損壞。與較薄的銅AMB基闆相比，AMB基闆中較厚的銅可實現更大的載流能力并改善熱擴散，這可以轉化為對功率器件的更好熱控制或随後更小的功率器件裸片尺寸。

另一種使用釺焊的工藝是直接粘合鋁（DBA），它實際上使用鋁矽（AISi）複合材料将厚鋁箔粘合到陶瓷上。盡管鋁的導熱性和導電性低于銅，但較軟的鋁箔在溫度循環期間對半導體芯片的物理應變也較小。因此，與帶有銅箔的DBC或AMB相比，DBA基闆通常可以經曆更多的熱循環。

3、厚印刷銅（TPC）

TPC基闆是通過絲網印刷将銅粉漿料施加到陶瓷基闆上，然後在850到950攝氏度之間燒制以将銅粉燒結到陶瓷上來制造的。TPC在金屬和陶瓷之間形成高粘合力，從而在溫度循環期間實現極高的可靠性。此外，使用TPC可以在同一基闆上開發粗而寬的銅迹線以及細而窄的銅迹線，從而可以同時開發邏輯、模拟、射頻和大功率電路。

在非常厚的銀和銅導體，介于25和300微米之間，可以在各種陶瓷基闆上開發。與其他基闆制造工藝不同，TPC基闆可以使用通孔互連構建，可用于開發多面電路或高導熱通孔以增強散熱。過去幾十年來，TPC基闆一直用于軍事、汽車、航空航天和其他需要極高可靠性的高功率應用。

陶瓷和金屬的結合也可以通過TPC工藝進行定制，以控制陶瓷中的結合深度。此外，可以使用玻璃和氧化物材料等粘合促進材料來增強金屬漿料，以調整TPC基闆的CTE，以更好的匹配功率器件芯片的半導體。TPC基闆也可以使用标準組裝工藝制造，例如焊接和粗線接合。與TPC類似的較新技術是銀燒結和銀焊接。這些方法使用銀（Ag）金屬粉末或錫銀（SnAg）在陶瓷基材上形成非常導熱和導電的迹線。銀焊接和燒結工藝都需要極其精确的溫度和時間控制，陶瓷基材的表面光潔度也必須與工藝完美匹配，以實現适當的附着力。

二、陶瓷和半導體陶瓷基闆的預制加工

陶瓷材料的表面光潔度、厚度、弧度和平行度對于每個基闆制造過程的成功至關重要。此外，陶瓷材料批次之間的一緻性會極大地影響電力電子設備或組裝産品線的整體可靠性和性能。因此，在為需要高可靠性和一緻性能的高功率應用設計和制造電子産品時，對研磨和抛光過程的控制至關重要。

盡管通常認為研磨和抛光陶瓷可以達到最低要求的規格以降低成本，或者使陶瓷材料盡可能光滑，但這些解決方案都不太可能生産出可行的陶瓷基闆電力電子應用。精确的表面光潔度、厚度和平行度都必須根據特定的基闆制造工藝進行确定和定制，并在批次之間準确複制。此外，必須指定表面厚度以與金屬層上電路迹線的精度相一緻。金屬迹線的更高精度通常需要特定于工藝的表面光潔度。

表面光潔度是金屬層與陶瓷材料粘合的一個關鍵方面，太粗糙或太細的表面光潔度都可能導緻粘合不可靠，從而導緻分層、過熱或早期器件故障，研磨和抛光是用于精确控制表面光潔度的兩種預制工藝。然而，每種陶瓷材料隻能研磨或抛光到其各自的表面光潔度極限，研磨和抛光到更精确的表面處理也需要更長的處理時間，這必須在供應鍊過程中加以考慮。

陶瓷材料的厚度也是陶瓷基闆熱導率和電絕緣特性權衡的決定因素，必須精确控制。研磨通常用于從陶瓷基闆的一側或兩側去除材料，以産生非常可控的厚度尺寸，尺寸和公差越嚴格，就需要更精确和耗時的研磨工藝。因為需要使用更精細的磨料來确保更高的精度，為了獲得更高的厚度精度，可以執行抛光階段這可以以去除材料厚度并提高表面光潔度。

陶瓷基材的平整度和平行度對于高産電力電子制造工藝也很重要，陶瓷材料較差的平整度和平行度會導緻與基材金屬層的粘附性、導熱性和電絕緣性不一緻。對于TPC和其他印刷應用，平整度和平行度差也可能導緻印刷過程中走線厚度和放置不準确。

通常研磨工藝用于将陶瓷燒成弧度和平行度提高到非常高的程度，大多數研磨機是單面研磨機，但也有雙面研磨機與單面研磨機相比，其工藝速度和性能有所提高。與單面研磨選項相比，由熟練技術人員操作的雙面研磨機可以實現最精确的平行度和平整度，并且通常需要更少的處理時間來達到所需的厚度。為獲得最佳一緻性，如果加工公差必須在每件和每批之間幾乎相同，雙面鋪網機可以快速提供 /-0.0001英寸超過4.5英寸的厚度公差。在需要對這些參數進行極端控制的情況下，可以在研磨後使用抛光階段來改善表面光潔度和厚度公差，憑借改進的平整度公差，雙面研磨工藝還可以提高單面研磨的抛光性能。

最終，電力電子陶瓷基闆制造的可靠性、性能和良率取決于陶瓷基材研磨和抛光工藝的精度和質量。此外，可靠的陶瓷材料采購對于擁有一緻的供應鍊以開發基于陶瓷的電力電子基闆也是必不可少的。

【文章來源：展至科技】

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