随着现代电子技术的飞速发展，电子设备小型化和集成化趋势愈来愈明显，同时工作频率和功率密度也显著增加，给电子系统的热管理带来了前所未有的挑战。封装基板作为半导体器件中的重要组成部分，除了能够搭载芯片、并为芯片提供电连接、保护，还起着连接内外散热通道的关键作用。常用的电子封装基板材料主要有三大类：塑料、金属及金属基复合材料和陶瓷，其中氧化铝 (Al₂O₃)、氮化铝 (AlN)、氮化硅 (Si₃N₄)等陶瓷材料具有良好的导热性、耐热性、高绝缘、高强度、低热胀、耐腐蚀和抗辐射等优点，在功率器件和高温电子器件封装中应用优势明显。

不过，陶瓷基板在烧结成型之后, 还需对其表面实施金属化,，才能实现芯片与电子元件之间的互联。目前，陶瓷基板按照金属化工艺主要有DPC、DBC、AMB等平面陶瓷基板和LTCC、HTCC等三维陶瓷基板。不同工艺制备出来的陶瓷基板性能（精度、粗糙度）、应用也有所区别。本篇文章就此盘点一下陶瓷散热基板各类金属化工艺及应用侧重点。

一、平面陶瓷基板金属化

平面陶瓷基板为传统的陶瓷基板，通常为通过溅射、蒸发、化学镀、电镀等方法在基板二维表面键合金属层，这类技术制造工艺相对成熟，成本较低，适合大规模生产。当前工业广泛应用的成熟金属化工艺主要包括 DPC、DBC 以及 AMB。除此之外，还有些新兴的金属化技术，如 LAM 和 TPC等

1、直接电镀陶瓷基板（DPC）

▲工艺流程：

DPC是将陶瓷基板做预处理清洁，利用半导体工艺在陶瓷基板上溅射铜种子层，再经曝光、显影、蚀刻、去膜等光刻工艺实现线路图案，最后再通过电镀或化学镀方式增加铜线路的厚度，移除光刻胶后即完成金属化线路制作。此后，移除多余干膜和种子层，并在铜表面覆盖一层非活性金属来保护铜层，以便于后续的钎焊过程。

值得一提的是，由于 Ti 与陶瓷基板的结合强度相比Cu更高，因此，在陶瓷基板上预先溅射一层薄的 Ti 层 后再溅射铜层，可显著提高结合强度。

▲特点：

1、精度高：采用了半导体微加工技术(如溅射镀膜、光刻、显影等)，金属线路更加精细（线宽尺寸20~30m，表面平整度低于0.3m，线路对准精度误差小于±1%），适合对准精度要求较高的微电子器件封装；

2、避免高温影响：采取低温工艺（300℃以下），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；

3、封装体积小：DPC采用了激光打孔与电镀填孔技术，可通过通孔连接实现陶瓷基板表面垂直互联，实现电子器件三维封装集成，降低器件体积；

▲局限：

1、厚度有限：受限于电镀工艺，其铜层厚度通常不超过 150 μm。

2、通孔接触不良；电镀过程中，铜更易在通孔表面填充，导致在内部未充实的情况下使通孔闭合，最终在通孔内部形成孔洞，从而影响器件的性能、稳定性和可靠性，需通过优化电镀液配方（如添加抑制剂）及辅助工艺参数来改进。

3、环保性差：电镀废液污染大。

▲应用

DPC 技术是近年最普遍使用的陶瓷散热基板，目前 主要应用于大功率 LED 的封装。如高亮度 LED 和深紫外 LED 在高发热的应用场景中，可采用DPC陶瓷基板搭配透明石英等具有良好热稳定性和可靠性的正面封装材料来提高器件的可靠性。

2、直接覆铜陶瓷基板（DBC）

（来源：电子制造工艺技术）

▲工艺原理：直接铜键合是将铜箔直接键合到陶瓷基片（主要为Al₂O₃和AlN ）表面的金属化方法。其基本原理是在铜与陶瓷界面处引入氧，并在1065~1083 ℃时形成具备优越的润湿性能的Cu/O共晶液相，并与陶瓷基体和铜箔发生反应生成CuAlO₂或Cu(AlO2)₂，从而实现陶瓷基板与铜箔化学冶金结合。最后再通过光刻技术实现图形制备形成电路。

需要注意的是，氧气在铜熔体中的扩散率极低(10^-5 cm² /s)，难以在键合过程中引入足量氧，因此通常需要预氧化铜箔在铜箔表面形成 Cu₂O 以促进共晶液生成。

▲特点：

①结合强度高、导热性能好：铜与陶瓷基板之间通过化学冶金实现有效连接的，结合强度可高于 65 N/cm，因此能够提供优异的导热性能。

②铜层厚度范围广：在 120 μm 至 700 μm之间，载流能力强。

③热膨胀系数与硅匹配：采用氧化铝作为基板材料的DBC基板，其中的氧化铝能有效控制Cu-A1₂03-Cu复合体的膨胀，因此这类DBC基板的热膨胀系数与氧化铝相似，可以很好地匹配硅材料，防止芯片受到应力损坏，这使其可用于广泛的温度范围。

▲局限：

1、线宽较大、精度较差：DBC基板采用湿法刻蚀工艺，面最小线宽一般大于100μm，使得线路精度限制，也影响了其在小体积封装市场的应用。

2、陶瓷基板材料受限：DBC 工艺需要搭配特定的基板使用，一般采用Al₂O₃和AlN陶瓷基板时，需要通过增加键合过程的氧分压和铜熔体的氧含量来提高铜熔体对于基板材料的润湿性，但对于Si₃N₄等陶瓷基板，上述方法均难以改善。

3、抗热冲击性能较差：由于A1203与Cu层间容易产生微气孔，降低了产品抗热冲击性能，同时使得在高温下温度循环可靠性很差，导致其应用受限。

▲应用：

铜与陶瓷基板之间的高结合强度可以为基板提供优异的导热性能，使得DBC基板在高功率、高频率和高温环境下具有良好的稳定性和可靠性。当前IGBT制造领域普遍以采用DBC基板为主流，因此DBC基板在该应用领域占据极大份额，IGBT功率器件也成为DBC基板的主要应用器件。

3、活性金属焊接陶瓷基板(AMB)

来源：《电子封装陶瓷基板》，华西证券研究所

▲技术原理：该技术是为解决DBC 陶瓷基板在高温条件下的温度循环可靠性差的问题而开发的。通过在陶瓷基板上涂覆一层薄薄的Ti、Zr、Hf等金属元素作为活性元素焊料，使其与陶瓷表面的氧、碳、氮或硅发生化学键合，随后将铜箔贴合在焊料上并放置在 800℃~950 ℃ 的真空环境下使焊料熔化，待焊料冷却后即可形成形成合金而实现稳固的连接。最后通过湿法刻蚀技术制作金属图案以满足大功率器件的电气连接需求。

目前AMB 工艺中常用的活性焊料主要包括 Sn-Ag-Ti和 Ag-Cu-Ti体系，其中 Ti 作为活性金属增强 焊料与陶瓷间的润湿性，Sn 和 Ag 则起到降低熔点以及提高接头的导热性能的作用。

▲特点：

AMB使用了活性焊料，可在热膨胀系数不匹配接头表面形成过渡层，从而降低陶瓷基板内部热应力，具有结合强度高、可靠性好，同时不受陶瓷基板材料限制，并解决了DBC 陶瓷基板在高温条件下的温度循环可靠性差的问题。

▲局限：

1、成本较高：该方法成本较高，合适的活性焊料较少，且焊料成分与工艺对焊接质量影响较大。

2、工艺局限性：AMB 工艺必须在高真空或保护气氛下实施，这限制了其工艺的适用性

▲应用情况：

由于自身的稳定性以及耐高温属性较为契合高温、高电压工作环境，AMB基板极适用于连接器或对电流承载大、散热要求高的场景，尤其在第三代半导体功率器件（IGBT、MOSFET等）中展现出巨大的应用潜力。不过，目前只有包括美国罗杰斯、德国亨利氏、KCC等少数国外企业掌握了AMB基板量产技术，国内产能相对较少。

二、三维陶瓷基板金属化

许多微电子器件(如加速度计、陀螺仪、深紫外LED等)芯片对空气、湿气、灰尘等非常敏感。为了提高这些微电子器件性能，特别是可靠性，必须将其芯片封装在真空或保护气体中，实现气密封装。因此，而三维陶瓷基板由于含腔体结构，能够满足这种封装结构的应用需求。目前，这类金属化工艺主要以低温/高温共烧陶瓷基板（LTCC/HTCC）的形式出现，除了能满足上述气密性封装要求，而且可实现基板的三维布线密度。

共烧陶瓷典型结构

1、高温共烧陶瓷基板（HTCC）

来源：朔州市产业技术研究院

技术原理：HTCC基板制备过程中先将陶瓷粉加入有机黏结剂，混合均匀后成为膏状陶瓷浆料，接着利用刮刀将陶瓷浆料刮成片状，再通过干燥工艺使片状浆料形成生胚；然后根据线路层设计钻导通孔，采用丝网印刷金属浆料（一般为熔点较高的钨、钼、锰等金属或贵金属）进行布线和填孔，最后将各生胚层叠加，在900℃以下先进行排胶处理，然后再在更高的 1,500-1,800℃高温环境中将多层叠压的瓷片共烧成一体。

特点及应用：由于烧结温度高，HTCC具有机械强度高、热导率高、物化性能稳定等优点，适合大功率及高温环境下器件封装，广泛用于大功率、高可靠性集成电路或微电路领域。

局限：

①HTCC基板制备工艺温度高，制作成本较高，且其线路精度较差，难以满足高精度封装需求。

②高熔点金属电导率不高，因此导通电阻较高。

2、低温共烧陶瓷基板（LTCC）

HTCC和LTCC对比（来源：东方财富网）

▲技术原理：与HTCC一样，LTCC的制备也需要经过球磨混料、流延、切片、冲孔、填孔、图形印制、叠片、压合、热切割、烧结、烧后处理、成品分离等流程。不同的是，LTCC一般采用微晶玻璃系、陶瓷+玻璃复合系、非晶玻璃系等具有低烧结温度的介质陶瓷材料以及金、银、铜、钯-银等低熔点金属在低于950℃的温度下烧结而成。

▲特点及应用：具有导通电阻低、制造成本低、热膨胀系数低、介电常数低且易调整、可埋置无源器件、高频特性优良、可制作线宽低至50μm 的精细电路的优点，满足高频、低损耗、高速传输、小型化等的封装要求，目前已在航天、航空、通信、雷达等领域已得到重要应用，在要求更高数据传输速率和带宽以及更低延迟的 5G 领域也已大量使用 LTCC 产品，LTCC 封装产品使用频率已超过 100 GHz，具有广阔的发展前景和应用市场。

▲局限：由于在低温下进行烧结，通常HTCC的机械强度低、导热率低，同时材料成本也较高

除了HTCC和LTCC之外，三维陶瓷基板还能基于平面陶瓷基板工艺堆叠形成，例如，可在完成平面DPC线路层加工后，再多次光刻、显影和图形电镀完成围坝制备多层电镀（MPC）基板；利用焊接工艺用于连接金属围坝与DPC陶瓷基板，先对准后填充焊料，焊接形成含围坝的陶瓷基板等......

MPC技术（来源：朔州市产业技术研究院）

焊接法制备三维陶瓷基板（来源：陶瓷基板智造）

小结

金属化是陶瓷基板实现芯片与电子元件之间互联的一个关键环节，对于电子元件的可靠性和稳定性有着重要影响。当前陶瓷基板金属化工艺多样，既包括相对简单的平面陶瓷基板工艺，也包括能够实现三维布线和气密性要求的三维陶瓷基板工艺。

在平面陶瓷基板中，DPC具有高精度的优势，是近年最普遍使用的陶瓷散热基板，然而其对电镀液控制要求较高，同时金属层厚度有限。DBC则具有结合强度高、导热性能好、载流能力强等优点，但Al₂O₃与Cu板间微气孔产生的问题，使其良率受到较大的挑战。而AMB作为DBC工艺的升级，解决了该问题，具有巨大的应用潜力，但目前技术主要被国外企业垄断。

在三维陶瓷基板中，主要以HTCC和LTCC技术为代表，由于工艺上的细微区别（烧结温度、材料的选择），HTCC在机械强度高、热导率、物化性能等方面存在优势，而LTCC则在导通电阻、制造成本、电学性能、电路精度等方面表现优秀。

参考来源：

1、黄富,岳文锋,李俊杰,等.电子封装陶瓷基板及其金属化工艺[J].现代技术陶瓷.

2、睿择投研.《陶瓷基板金属化工艺：TFC、DPC、DBC、AMB优势各异，下游多领域快速拓展》

3、朔州市产业技术研究院.《行业研究｜陶瓷基板的材料与应用》

4、先进陶瓷氧化铝氮化铝氮化硅HTCC.《DBC 和 DPC 陶瓷基板，究竟有何区别？》

粉体圈Corange整理