数纳微检测技术 | 一篇文章带你了解陶瓷基板
2025/06
陶瓷基板是功率电子、射频模块、航空航天等高端领域的核心基础材料，根据材料体系、制备工艺、导电结构及集成方式可分为以下类型，各类别具备独特性能边界和应用场景：
一、按陶瓷基底材料分类（关键性能区分）
| 类型 | 配方/特性 | 热导率 | 热膨胀系数(ppm/K) | 极限场景 |
|---|---|---|---|---|
| 氧化铝基板 | Al₂O₃ (92%-99%) | 20-30 W/mK | 6.5-8.0 | 通用功率模块（成本敏感型） |
| 氮化铝基板 | AlN（≥170W理论值） | 140-200 W/mK | 4.5-5.6 | 高功率密度IGBT、激光器 |
| 氮化硅基板 | Si₃N₄（高强度+高韧性） | 70-90 W/mK | 2.5-3.2 | 电动车电控（抗热震>2000次） |
| 氧化铍基板 | BeO（剧毒！渐被淘汰） | 250 W/mK | 6.0-8.0 | 军工雷达（逐步被AlN替代） |
| 氧化锆基板 | ZrO₂（高断裂韧性） | 2-3 W/mK | 10.0-11.0 | 生物传感器（植入式医疗） |
| 复合陶瓷基板 | Al₂O₃+玻璃相/AlN-SiC | 40-100 W/mK | 可调范围广 | 定制化高频组件 |
选型决策点：
- 散热优先 → AlN（200W/mK）
- 机械冲击/振动环境 → Si₃N₄（抗弯强度>800MPa）
- 成本控制 → Al₂O₃（价格仅为AlN的1/3）
二、按金属化工艺分类（导电层制造方式）
1. 厚膜技术（丝网印刷）
- 工艺：将钯银/金浆料印刷在陶瓷胚体上，800°C烧结
- 优点：工艺简单、成本低
- 局限：线宽≥100μm，附着力弱
- 应用：汽车传感器、电阻基板
2. 薄膜技术（真空镀膜+光刻）
- 工艺：磁控溅射Ti/Cu→光刻刻蚀→电镀加厚
- 优点：线宽≤20μm（精度高）、结合力强
- 局限：设备成本高
- 应用：射频微波电路（如5G AiP天线）
3. DBC工艺（直接覆铜）
- 工艺：铜箔与陶瓷在1065°C熔融氧化（Cu-O共晶反应）键合
- 结构：陶瓷层-Cu键合层(2-5μm)-导电铜层(100-600μm)
- 优点：导热性接近铜（无中间胶层）、载流能力极强
- 挑战：Al₂O₃结合强度>15N/mm，AlN需预氧化处理
- 应用：电动汽车IGBT模块（如Tesla逆变器）
4. AMB工艺（活性金属钎焊）
- 工艺：含Ti/Zr活性元素的钎料（AgCuTi）连接陶瓷与铜
- 优势：
- 比DBC结合强度提高3倍（>25N/mm）
- 支持复杂图形刻蚀（铜层厚度达800μm）
- 适用氮化硅等难键合陶瓷
- 应用：高铁牵引变流器、超高压功率模块
5. DPC工艺（直接镀铜）
- 工艺：陶瓷表面溅射种子层→光刻图形→电镀铜填孔
- 特点：可实现垂直互连孔（直径<100μm），双面布线
- 应用：LED芯片封装（氮化铝DPC基板）
三、按功能集成度分类
| 类型 | 结构特点 | 典型产品形态 |
|---|---|---|
| 单面金属化基板 | 仅单面覆铜（DBC/DPC） | IGBT衬板、LED封装基座 |
| 双面金属化基板 | 正反面覆铜+侧壁导通 | 射频收发模块 |
| 多层陶瓷基板 | LTCC/HTCC技术实现3D布线 | 导弹制导系统、卫星通信组件 |
| 嵌入式基板 | 陶瓷内埋置电容/电阻 | 雷达T/R组件（减少SMT焊点） |
LTCC（低温共烧陶瓷）：Al₂O₃+玻璃粉，850°C烧结 → 兼容银导体
HTCC（高温共烧陶瓷）：纯Al₂O₃/AlN，1500°C烧结 → 需钨钼金属化
四、按前沿应用场景的典型选型
电动车主驱逆变器：
- 方案： Si₃N₄-AMB基板
- 理由：热循环寿命＞车载要求（-40℃~175℃, 5万次）
激光雷达发射模块：
- 方案： AlN-DBC基板（铜厚300μm）
- 理由：热流密度＞100W/cm²，需快速导出
5G毫米波基站：
- 方案： 超薄Al₂O₃薄膜基板（线宽15μm+激光钻孔）
- 理由： 介电损耗tanδ＜0.0005 @ 28GHz
空间核电源系统：
- 方案： BeO基板（屏蔽罩密封）
- 理由： 耐辐射剂量＞10⁶ Gy（无性能衰减）