在大功率電子器件使用中為實(shí)現(xiàn)芯片與電子元件之間的互聯(lián)，陶瓷作為封裝基板材料，需對其表面進(jìn)行金屬化處理。陶瓷金屬化有如下要求：優(yōu)良的密封性，金屬導(dǎo)電層的方阻和電阻率小，同時(shí)與陶瓷基板具有較強(qiáng)的附著力，陶瓷經(jīng)金屬化后仍需具備高的熱導(dǎo)率。因此延展性優(yōu)良、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性高的Cu，成為在功率電子器件中最常用的材料，圖為陶瓷基板覆銅示意圖。

雖然陶瓷具有相較于其他兩種封裝基板有著更為優(yōu)異的綜合性能，但是由于陶瓷材料作為強(qiáng)共價(jià)鍵型化合物，其電子配位十分穩(wěn)定，不易與其他材料反應(yīng)，并且與常見金屬之間的潤濕困難，而陶瓷基板表面金屬化后的性能與功率電子器件在工作時(shí)的穩(wěn)定性關(guān)系密切，故制約陶瓷封裝基板廣泛應(yīng)用的原因便在于此，因此探究陶瓷表面金屬化意義重大。目前常見的陶瓷金屬化的方法主要包括化學(xué)鍍金屬化、直接覆銅金屬化、厚膜金屬化、薄膜金屬化等。以下是斯利通整理的幾類陶瓷封裝金屬化工藝。表 1為不同陶瓷金屬化方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

化學(xué)鍍金屬化

化學(xué)鍍金屬化是指通過化學(xué)反應(yīng)的方法，金屬離子借助還原劑還原成金屬，并沉積到基底材料表面的方法，核心在于通過可控制的氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生金屬層，圖 1.1 為化學(xué)鍍過程示意圖。化學(xué)鍍銅即將溶液中的Cu 2+還原成Cu原子，并在催化活性的基板上沉積，反應(yīng)原理可用下式表示：

第一步：Cu 2+在陰極被還原成 Cu 原子，如式 1-1 所示；

第二步：甲醛在陽極提供反應(yīng)所需的電子，如式 1-2 所示；

第三步：化學(xué)鍍銅的氧化還原方程式，如式 1-3 所示。

直接覆銅金屬化

直接覆銅金屬化是指在高溫、弱氧氛圍中利用Cu的含氧共晶液直接將Cu箔覆接在陶瓷表面的方法，主要用于 Al 2 O 3 和 AlN 陶瓷表面。原理為 Cu 與 O 反應(yīng)生成的 Cu 2 O 和CuO，在 1060-1083 ℃溫度范圍內(nèi)可以與基板中 Al 反應(yīng)生成 CuAlO 2 和 CuAl 2 O 4 的尖晶石物質(zhì)，促使陶瓷與 Cu 可以形成較高的結(jié)合強(qiáng)度，在對 AlN 陶瓷基板進(jìn)行直接覆銅金屬化時(shí)，需先對 AlN 進(jìn)行氧化處理，在其表面形成 Al 2 O 3 ，圖 2.1 為 AlN 直接覆銅金屬化的流程示意圖。反應(yīng)式如下：

厚膜金屬化

厚膜金屬化是將金屬漿料通過絲網(wǎng)印刷的方法涂敷在陶瓷表面，然后經(jīng)高溫干燥熱處理后形成金屬化陶瓷基板的技術(shù)。下圖為絲網(wǎng)印刷工藝示意圖，其中漿料主要由功能相、粘結(jié)劑、有機(jī)載體組成，功能相是厚膜漿料中主體，即在陶瓷表面經(jīng)涂覆金屬粉末后經(jīng)熱處理工藝形成的金屬膜層；粘結(jié)劑是玻璃相或氧化物等經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后，提升金屬膜層與陶瓷基板之間的附著力；有機(jī)載體是用于提升有機(jī)漿料表面活性，使得漿料混合更加均勻的有機(jī)溶劑或表面活性劑。

薄膜金屬化

薄膜金屬化是在高真空條件下，用物理方法將固體材料表層電離為離子，隨后經(jīng)過低壓氣體在陶瓷基板表面沉積所需薄膜的工藝，即物理氣相沉積技術(shù)( Physical Vapour Deposition ，PVD )，主要包括有磁控濺射鍍膜、離子鍍膜、電弧鍍等。圖 4.1 為磁控濺射鍍膜的原理圖，核心在于 Ar 2+經(jīng)電場加速后轟擊由欲被濺射物質(zhì)做成的靶電極，當(dāng)離子能量合適的情況下，Ar 2+會(huì)將靶材表面的原子濺射出來進(jìn)而會(huì)沿著一定的方向射向襯底，從而實(shí)現(xiàn)薄膜的沉積

上述幾種陶瓷基板金屬化方法，各有優(yōu)缺點(diǎn)，化學(xué)鍍金屬化，具備很高的生產(chǎn)效率，可以實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，但是，金屬層與陶瓷基板之間結(jié)合力有限，不能滿足很多特定的應(yīng)用場景。直接覆銅金屬化，也就是高溫?zé)Y(jié)法，在滿足生產(chǎn)效率的同時(shí)，金屬層和陶瓷基板具備一定的結(jié)合強(qiáng)度，是當(dāng)前比較常見的一種生產(chǎn)工藝，但是，由于其是采用高溫?zé)Y(jié)的方式進(jìn)行的金屬化覆膜，因此，限制了很多低熔點(diǎn)金屬的應(yīng)用。厚膜金屬化，也就是絲網(wǎng)印刷，生產(chǎn)簡單可操作，但是，其對于金屬化厚度和線寬線距的精度不能實(shí)現(xiàn)很好的控制，無法生產(chǎn)高精度的精密線路。薄膜金屬化，也就是磁控濺射，利用了范德華力的原理，使得金屬層和陶瓷基板具有很強(qiáng)的結(jié)合力，但是，生產(chǎn)效率低下，同時(shí)，也只能形成很薄的金屬層，通常在納米級別。

富力天晟科技公司有效利用幾種金屬化工藝相結(jié)合的方法，在生產(chǎn)工藝流程中，首先，通過磁控濺射工藝（薄膜金屬化）在陶瓷基板表面形成50-300nm的金屬種子層（鈦層50-100nm，銅層100-300nm），金屬種子層與陶瓷基板之間通過范德華力結(jié)合，然后，再通過電鍍（化學(xué)鍍）在金屬種子層上增加金屬厚度，通過這種方式，比單純通過磁控濺射或者化學(xué)鍍的方法生產(chǎn)出來的陶瓷基板線路性能要優(yōu)良很多，一方面，可以有效加強(qiáng)金屬層與陶瓷基板的結(jié)合強(qiáng)度，另一方面，也可以實(shí)現(xiàn)不同層厚（厚度1000μm）的金屬化生產(chǎn)。

富力天晟科技公司經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)和國內(nèi)外數(shù)千家半導(dǎo)體、芯片、傳感器、通信、射頻器件、大功率照明等企業(yè)建立長期穩(wěn)定的合作關(guān)系，為各大公司生產(chǎn)符合客戶要求的高性能陶瓷基板精密線路產(chǎn)品，提供專業(yè)的一站式解決方案，成為客戶新產(chǎn)品研發(fā)、技術(shù)迭代創(chuàng)新、公司發(fā)展過程中的重要戰(zhàn)略伙伴。

審核編輯 黃宇