一、為什么要關(guān)注陶瓷基板？
在功率器件、射頻模組、LED 封裝、汽車電子乃至航天級電路中，傳統(tǒng) FR-4 的導(dǎo)熱系數(shù)（0.3~0.4 W/m·K）已無法滿足散熱與可靠性要求。陶瓷基板以 Al?O?、AlN、Si?N? 等為核心材料，其導(dǎo)熱系數(shù)可從 24 W/m·K 一路提升到 180 W/m·K 以上，同時兼具低熱膨脹系數(shù)（CTE 4~8 ppm/℃）與高絕緣強(qiáng)度（>15 kV/mm），成為高功率密度、高頻、高可靠性場景的首選。
二、常見陶瓷基板類型與特性
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氧化鋁（Al?O?，96% 或 99.6%）
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性價比高，導(dǎo)熱 24~30 W/m·K
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機(jī)械強(qiáng)度與化學(xué)穩(wěn)定性好，適合 LED、功率模塊
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氮化鋁（AlN）
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導(dǎo)熱 170~180 W/m·K，CTE 4.5 ppm/℃
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高絕緣、無毒，適合射頻、激光、汽車功率器件
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氮化硅（Si?N?）
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導(dǎo)熱 80~90 W/m·K，斷裂韌性高（>6 MPa·m½）
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在冷熱循環(huán)、振動沖擊場景優(yōu)勢明顯
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低溫共燒陶瓷（LTCC）
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多層布線、內(nèi)埋無源器件，適合毫米波、射頻前端
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高溫共燒陶瓷（HTCC）
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與鎢/鉬漿共燒，耐高溫 >800 ℃，適用航空、石油勘探
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三、陶瓷基板在 SMT 產(chǎn)線的關(guān)鍵工藝要點
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焊盤金屬化
DPC（直接鍍銅）與 DBC（直接覆銅）是主流。DPC 通過磁控濺射 Ti/Cu 種子層再電鍍加厚，線寬/間距可做到 50 µm；DBC 通過 1065 ℃ 共晶鍵合，銅厚 100~300 µm，承載電流大，但解析度低。 -
錫膏選型
陶瓷導(dǎo)熱快，建議選用 Sn96.5/Ag3/Cu0.5 無鉛高溫錫膏，熔點 217 ℃；對 LED 共晶焊可改用 Au80/Sn20，熔點 280 ℃，空洞率 <3%。 -
回流曲線
因陶瓷熱容量高，需延長預(yù)熱區(qū)（150~180 ℃，90~120 s）；峰值溫度可比 FR-4 高 5~10 ℃，但須控制 ΔT<5 ℃，防止局部熱應(yīng)力導(dǎo)致微裂。 -
貼裝壓力
陶瓷脆性大，貼片頭 Z 軸壓力應(yīng)下調(diào) 20~30%，推薦 0.5~1 N；使用軟質(zhì)吸嘴或帶緩沖機(jī)構(gòu)的吸嘴。 -
翹曲控制
陶瓷基板厚度通常 0.25~1 mm，翹曲度 <0.3%；回流后若出現(xiàn)拱形，可在冷卻區(qū)增加分段降溫（180→150→120 ℃，每段 30 s）以釋放應(yīng)力。 -
AOI/AXI 檢測
陶瓷表面反光率高，需調(diào)整 AOI 光源角度（RGB 低角度 15°）并降低曝光值；X-Ray 檢測空洞時，功率設(shè)定比 FR-4 低 10%，防止過度穿透。
四、可靠性驗證與失效模式
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熱沖擊：-55 ℃↔150 ℃，1000 cycles，觀察 Cu 層是否起泡、裂紋。
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功率循環(huán)：器件結(jié)溫 ΔTj=100 ℃，>20 k cycles，監(jiān)控焊點電阻變化 <20%。
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剪切力：芯片或銅箔推拉力 ≥50 N/mm²。
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失效模式：陶瓷斷裂（過壓/翹曲）、Cu 層剝離（金屬化缺陷）、空洞（錫膏或回流參數(shù)不當(dāng)）。
五、面向未來的設(shè)計趨勢
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異構(gòu)集成：陶瓷+FR-4 混壓板，用階梯槽或嵌銅塊解決局部散熱。
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厚銅/薄銅復(fù)合：外層 300 µm DBC 載流，內(nèi)層 35 µm DPC 走信號，兼顧功率與高密度。
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3D 陶瓷封裝：通過激光活化金屬化（LAM）在曲面陶瓷上布線，實現(xiàn)氣密封裝。
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綠色制造：無氰電鍍、無鉛低銀錫膏、氮?dú)饣亓鳒p少氧化渣。
結(jié)語
陶瓷基板并非“高端小眾”，而是功率、射頻、高可靠應(yīng)用的“必需品”。SMT貼片加工廠只有深入理解材料機(jī)理、工藝窗口與失效模型，才能在大功率 LED、車規(guī) SiC/GaN、毫米波雷達(dá)等賽道中搶占先機(jī)。1943科技將持續(xù)投入陶瓷基板制程研究，與合作伙伴共同打造更冷、更穩(wěn)、更可靠的電子產(chǎn)品。
2024-04-26
