中國粉體網訊 氮化鋁陶瓷是重要的散熱基板材料，但是氮化鋁陶瓷基板本身并不具備導電性，因此在用作大功率散熱基板之前必須對其表面進行金屬化。金屬在高溫下對陶瓷表面的潤濕能力決定了金屬與陶瓷之間的結合力，良好的結合力是封裝性能穩定性的重要保證，因此，實現陶瓷基片的金屬化是氮化鋁陶瓷獲得實際應用的重要一環。
氮化鋁陶瓷是強共價鍵化合物，而金屬一般都表現為金屬鍵化合物，因此與其他化學鍵的化合物相比，在高溫下氮化鋁與金屬的浸潤性較差，實現金屬化的難度較高。目前，使用廣泛的氮化鋁基片金屬化的方法主要有以下幾種：
1.機械連接與粘結
機械連接法的特點是采取合理的結構設計，利用機械應力實現氮化鋁基片與金屬的連接，比如熱套連接和螺栓連接。機械連接方法具有工藝簡單，可行性好等特點，但是連接處應力較大，不適用于高溫環境，使用范圍受限。
粘結是指以有機粘結劑為連接介質，通過適宜的粘接工藝，將性質差異較大的氮化鋁基片與金屬材料結合成為一個機械整體的連接方法。但粘接法同樣不適用于高溫、高強度的環境，使用范圍較小。
2.厚膜法（TPC）
厚膜法是指通過絲網印刷的方式直接在氮化鋁陶瓷基體表面涂上一層導電漿料，然后經過干燥、高溫燒結使金屬涂層附著在陶瓷基體表面的工藝。導電漿料一般由導電金屬粉末、玻璃粘結劑和有機載體組成。導電金屬粉末決定了漿料成膜后的電學性能和機械性能，目前常用的金屬粉末有銀、銅、鎳和鋁等，其中，銀和銅電阻低，成本低，較為適合工業化生產。因此，該工藝性能可靠，具有生產效率高、成本低、設計靈活等優點。其缺點在于受絲網印刷工藝的精度限制，附著力不易控制，燒結后的基板無法獲得高精度線路，因此，只能應用于對線路精度要求不高的電子器件封裝材料。
TPC基板產品（圖源：金瑞欣）
3.活性金屬釬焊法（AMB）
活性金屬釬焊法，是直接在普通釬料中加入Ti、Zr、Al、Nb、V等化學性質較為活潑的過渡元素。這些活性元素直接與氮化鋁陶瓷表面發生化學反應，形成過渡層，過渡層的主要產物是一些金屬鍵化合物，并具有與金屬相同的結構，因此可以被熔化的釬料金屬潤濕，形成冶金接合。
AMB工藝流程
氮化鋁陶瓷基板是一種重要的散熱器件，常常在高溫下使用，所以需要更加耐高溫的連接接頭。以CuTi、NiTi為主的高溫活性釬料，可在1200~1800℃的范圍內使用；以Au基、Co基、Pd基釬料為代表的三元系或者多元系釬料是最常用的高溫活性釬料，Au、Co、Pd的熔點分別為1064℃、1492℃、1554℃，在釬料中起到提高熔點的作用。由于釬料中的活性元素化學性質活潑，為避免在高溫下與氧氣發生化學反應，所以活性釬焊必須在嚴苛的真空環境或者惰性氣氛保護下進行，技術成本較高，不適用于大規模化應用。
4.共燒法
共燒法是通過絲網印刷工藝在氮化鋁陶瓷生片表面涂刷一層難熔金屬（鉬、鎢等）的厚膜漿料，一起脫脂燒成，使導電金屬與氮化鋁陶瓷燒成為一體結構。共燒法根據燒結溫度的高低可分為低溫共燒(LTCC)和高溫共燒(HTCC)兩種方式，兩者工藝流程相似，所用設備也相差無幾，但共燒溫度差別較大，LTCC燒結溫度一般為800-900℃，而HTCC燒結溫度為1600-1900℃，HTCC基板更適用于大功率和高溫場景。燒結后，為了便于芯片引線鍵合及焊接，還需在金屬陶瓷復合體的金屬位置鍍上一層鋅或鎳等熔點較低的金屬。共燒法容易實現多層化，實現高密度布線，由于導體絕緣與絕緣做成一體化結構，還可以實現氣密封裝。
HTCC工藝流程
5.薄膜法（TFC）
薄膜法是指采用濺射工藝直接在氮化鋁陶瓷基片表面沉積金屬層，輔以蒸鍍、光刻與刻蝕等方法將金屬層圖形制備成線路的技術。薄膜不僅是指膜的實際厚度，更多的指在基板上的膜的產生方式。厚膜技術是加法技術，而薄膜技術是減法技術。使用光刻與刻蝕等工藝使薄膜技術得到的圖形特征尺寸更小，線條更清晰，更適合高密度和高頻率環境，但直接在陶瓷基板表面進行金屬化所得金屬化層的附著力不高，并且氮化鋁基板與金屬的熱膨脹系數不匹配，在工作時會受到較大的熱應力。為了提高金屬化層的附著力，減小陶瓷與金屬的熱應力，陶瓷基板一般采用多層金屬結構。
薄膜陶瓷基板（圖源：金瑞欣）
6.直接覆銅法（DBC）
直接覆銅法(DBC)的工藝流程是在銅和陶瓷表面處引入氧元素，然后在1000~1100℃的溫度范圍內形成氧化銅的共晶液相，該液相對互相接觸的金屬銅和陶瓷基板表面都具有良好潤濕效果，從而實現陶瓷基板與銅的冶金結合。
氮化鋁陶瓷基板DBC工藝（圖源：華西證券研究所）
而氮化鋁陶瓷是強共價鍵化合物，Cu/O共晶液相對氮化鋁的潤濕性較差，因此要先對氮化鋁陶瓷基板進行表面改性，常用的方法是進行預氧化處理，使氮化鋁陶瓷表面形成厚度一定、分散均勻且結構致密的氧化鋁層，這樣覆接的界面就變成為氮化鋁-氧化鋁-銅界面，以確保氮化鋁陶瓷和銅之間結合的可靠性。
7.直接鍍銅法（DPC）
直接鍍銅法是利用半導體工藝在陶瓷基板上濺射銅種子層，再經曝光、顯影、去膜等光刻工藝實現線路圖案，最后通過電鍍或化學鍍方式使銅層達到一定厚度。種子層的注入是利用物理氣相沉積（磁控濺射與真空蒸鍍等）方法在陶瓷表面沉積一層金屬層。
DPC制備工藝
物理氣相沉積屬于低溫工藝（300℃以下），完全避免了高溫對材料或線路結構的不利影響，也降低了制造工藝成本，但是電鍍沉積銅層厚度有限，且電鍍廢液污染大。
幾種常見的氮化鋁陶瓷基板金屬化方法
以上是氮化鋁陶瓷基板金屬化較為常見的幾種方法，其各自優缺點如上表所示。除以上幾種方法之外，熔焊、固相擴散、自蔓延高溫合成等方法也可用于氮化鋁陶瓷基板的金屬化。
參考來源：
[1]齊維靖，大功率LED氮化鋁陶瓷散熱基板的制備
[2]張明昌等，陶瓷基板金屬化制備技術的研究進展
華西證券研究所、福建臻璟
（中國粉體網編輯整理/梧桐）
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