在大功率電子器件使用中為實現芯片與電子元件之間的互聯，陶瓷作為封裝基板材料，需對其表面進行金屬化處理。陶瓷金屬化有如下要求：優良的密封性，金屬導電層的方阻和電阻率小，同時與陶瓷基板具有較強的附著力，陶瓷經金屬化后仍需具備高的熱導率。因此延展性優良、導熱性和導電性高的 Cu，成為在功率電子器件中最常用的材料，圖 1為陶瓷基板覆銅示意圖。

圖1 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異的綜合性能，但是由于陶瓷材料作為強共價鍵型化合物，其電子配位十分穩定，不易與其他材料反應，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的穩定性關系密切，故制約陶瓷封裝基板廣泛應用的原因便在于此，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缺點。

表 1陶瓷金屬化方法及其優缺點

化學鍍金屬化

化學鍍金屬化是指通過化學反應的方法，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產生金屬層，圖 1.1為化學鍍過程示意圖。化學鍍銅即將溶液中的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所需的電子，如式 1-2 所示；

第三步：化學鍍銅的氧化還原方程式，如式 1-3 所示。

圖 1.1化學鍍銅流程示意圖

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 反應生成的 Cu 2 O 和CuO，在 1060-1083 ℃溫度范圍內可以與基板中 Al 反應生成 CuAlO 2 和 CuAl 2 O 4 的尖晶石物質，促使陶瓷與 Cu 可以形成較高的結合強度，在對 AlN 陶瓷基板進行直接覆銅金屬化時，需先對 AlN 進行氧化處理，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。反應式如下：

圖 2.1 AlN 直接覆銅金屬化流程示意圖厚膜金屬化

厚膜金屬化

厚膜金屬化是將金屬漿料通過絲網印刷的方法涂敷在陶瓷表面，然后經高溫干燥熱處理后形成金屬化陶瓷基板的技術。圖 3.1為絲網印刷工藝示意圖，其中漿料主要由功能相、粘結劑、有機載體組成，功能相是厚膜漿料中主體，即在陶瓷表面經涂覆金屬粉末后經熱處理工藝形成的金屬膜層；粘結劑是玻璃相或氧化物等經高溫燒結后，提升金屬膜層與陶瓷基板之間的附著力；有機載體是用于提升有機漿料表面活性，使得漿料混合更加均勻的有機溶劑或表面活性劑。

圖 3.1絲網印刷工藝示意圖

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( 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+ 經電場加速后轟擊由欲被濺射物質做成的靶電極，當離子能量合適的情況下，Ar 2+ 會將靶材表面的原子濺射出來進而會沿著一定的方向射向襯底，從而實現薄膜的沉積。

圖 4.1磁控濺射原理示意圖

上述幾種陶瓷基板金屬化方法，各有優缺點，化學鍍金屬化，具備很高的生產效率，可以實現批量化生產，但是，金屬層與陶瓷基板之間結合力有限，不能滿足很多特定的應用場景。直接覆銅金屬化，也就是高溫燒結法，在滿足生產效率的同時，金屬層和陶瓷基板具備一定的結合強度，是當前比較常見的一種生產工藝，但是，由于其是采用高溫燒結的方式進行的金屬化覆膜，因此，限制了很多低熔點金屬的應用。厚膜金屬化，也就是絲網印刷，生產簡單可操作，但是，其對于金屬化厚度和線寬線距的精度不能實現很好的控制，無法生產高精度的精密線路。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的結合力，但是，生產效率低下，同時，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合的方法，在生產工藝流程中，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合，然后，再通過電鍍（化學鍍）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鍍的方法生產出來的陶瓷基板線路性能要優良很多，一方面，可以有效加強金屬層與陶瓷基板的結合強度，另一方面，也可以實現不同層厚（厚度1000μm）的金屬化生產。

富力天晟科技公司經過多年的發展，已經和國內外數千家半導體、芯片、傳感器、通信、射頻器件、大功率照明等企業建立長期穩定的合作關系，為各大公司生產符合客戶要求的高性能陶瓷基板精密線路產品，提供專業的一站式解決方案，成為客戶新產品研發、技術迭代創新、公司發展過程中的重要戰略伙伴。

審核編輯：湯梓紅