PCB Bolg - 陶瓷基板的特點與用途

陶瓷基板是指銅箔在高溫下直接鍵結到氧化鋁(Al2O3)或氮化鋁(AlN)陶瓷基片表面( 單面或雙面)上的特殊製程板。所製成的超薄複合基板具有優良電絕緣性能，高導熱特性，優異的軟釬焊性和高的附著強度，並可像PCB板一樣能刻蝕出各種圖形，具有很大的載流能力。因此，陶瓷基板已成為高功率電力電子電路結構技術和互聯技術的基礎材料。

陶瓷基板開啟了散熱應用產業的新發展，由於陶瓷基板散熱特色，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產業未來的市場領域更為寬廣。

一、陶瓷基板的特點

1、機械應力強，形狀穩定；高強度、高導熱、高絕緣；結合力強，防腐蝕。

2、較好的熱循環性能，循環次數達5萬次，可靠性高。

3、與PCB板(或IMS基片)一樣可蝕刻出各種圖形的結構。

4、無污染、無公害。

5、使用溫度寬-55℃～850℃；熱膨脹係數接近矽。

6、簡化功率模組的生產流程。

陶瓷基板

二、陶瓷基板的種類

按材料分

1、 氧化鋁(Al2O3)

氧化鋁基板是電子工業中最常用的基板材料，因為在機械、熱、電性能上相對於大多數其他氧化物陶瓷，強度及化學穩定性高，且原料來源豐富，適用於各種各樣的技術製造以及不同的形狀。目前氧化鋁基板已經可以進行三維客製化。

2、氧化鈹(BeO)

具有比金屬鋁還高的熱導率，應用於需要高熱導的場合，但溫度超過300℃後迅速降低，最重要的是由於其毒性限制了自身的發展。氧化鈹陶瓷是以氧化鈹為主要成分的陶瓷。主要用作大規模積體電路基板，高功率氣體雷射管，電晶體的散熱片外殼，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，導熱係數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，且使接觸傷口難於癒合。以氧化鈹粉末為原料加入氧化鋁等配料經高溫燒結而成。製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，揮發性會提高，1000℃開始揮發，並隨溫度升高揮發量增大，這就給生產帶來困難，有些國家已不生產。但製品性能優異，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相符的膨脹係數。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，只有對材料和製程進行嚴格控制才能製造出一致性較好的AlN基板。 相對於Al2O3，AlN價格相對偏高許多，這個也是限制其發展的小瓶頸。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，氧化鋁陶瓷由於比較優越的綜合性能，在微電子、功率電子、混合微電子、功率模組等領域還是處於主導地位而被大量運用。 AlN最高可穩定至2200℃。室溫強度高，且強度隨溫度的升高下降較慢。導熱性好，熱膨脹係數小，是良好的耐熱衝擊材料。抗熔融金屬侵蝕的能力強，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，當電器元件也很有希望。砷化鎵表面的氮化鋁塗層，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為立方氮化硼的催化劑。室溫下與水緩慢反應.可由鋁粉在氨或氮氣氛中800~1000℃合成，產物為白色至灰藍色粉末。或由Al2O3-C-N2系統在1600~1750℃反應合成，產物為灰白色粉末。或氯化鋁與氨經氣相反應制得.塗層可由AlCl3-NH3系統以氣相沉積法合成。

4.氮化矽 (Si3N4)採用氮化矽製成的新款陶瓷基板的撓曲強度比採用 Al2O3和 AlN 製成的基板高。 Si3N4的斷裂韌性甚至超過了氧化鋯摻雜陶瓷。時至今日，功率模組內使用的覆銅陶瓷基板的可靠性一直受制於陶瓷較低的撓曲強度，而後者會降低熱循環能力。對於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。基板（陶瓷）和導體（銅）的熱膨脹係數存在很大差異，會在熱循環期間對鍵合區產生壓力，進而降低可靠性。隨著 HEV/EV 和可再生能源應用的增長，PCB設計者找到了新方法來確保這些推動極具挑戰性的新技術發展所需的電子元件的可靠性。由於工作壽命比電力電子使用的其它陶瓷長10倍或者更高，所以氮化矽基板能夠提供對於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重複次數來衡量的。該測試通常是通過從 -55°C 到 125°C 或者 150°C 對樣品進行循環運行來完成的。使用壽命的延長對於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，並且對結溫較高（高達250°C）的 SiC 和 GaN晶片特別重要。

三、陶瓷基板的優越性

陶瓷基板的熱膨脹係數接近矽晶片，可節省過渡層Mo片，省工、節材、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厚的銅箔線寬僅為一般印刷電路板的10%；

優良的導熱性，使晶片的封裝非常緊湊，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)陶瓷基板可取代BeO，無環保毒性問題；

載流量大，100A電流連續通過1mm寬0.3mm厚銅體，溫升約17℃；100A電流連續通過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，保障人身安全及設備的防護能力。

 可以實現新的封裝和組裝方法，使產品高度集成，體積縮小。

四、陶瓷基板的用途

高功率電力半導體模組；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。

智慧功率組件；高頻開關電源，固態繼電器。

汽車電子，航太航空及軍用電子組件。

太陽能板組件；電訊專用交換機，接收系統；雷射等工業電子。

陶瓷基板

陶瓷基板產品問世，開啟散熱應用產業的發展，由於陶瓷基板散熱特色，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LED產業的應用領域，如家電產品的指示燈、汽車車燈、路燈及戶外大型看板等。陶瓷基板的開發成功，將成為室內照明和戶外亮化產品提供服務，使LED產業未來的市場領域更寬廣。