AMB与DBA的母工艺——DBC 直接覆铜陶瓷基板工艺|金瑞欣特种电路

随着电子设备的不断进步，芯片集成度的提升和电路设计的紧凑，使得单位面积的功耗显著增加，导致热量积累。这不仅影响设备性能，还可能导致组件故障。在这种背景下，直接覆铜（DBC）陶瓷基板凭借出色的导热和导电性能，成为重要的电子封装材料，广泛应用于功率模块和集成电力电子模块。

DBC陶瓷基板

一、DBC工艺的发展

DBC（Direct Bonded Copper，直接覆铜）技术主要基于氧化铝陶瓷基板的金属化，由J.F. Burgess和Y.S. Sun于1970年代首次推出。当时，传统的铝基板技术在高功率密度、高频率和高可靠性方面存在一些局限性，因此需要一种新的技术来满足日益增长的电子设备对散热性能和电气性能的要求。

在1980年代中期，美国通用电气（GE）的DBC研究团队使该技术实用。

DBC陶瓷基板是在1000 ℃以上的高温条件下，在含氧的氮气环境中加热处理，使得铜箔与陶瓷基板通过共晶键合方式形成紧密结合。这种技术具有较高的键合强度，以及出色的导热性和热稳定性。

随着电子设备对功率密度和可靠性要求的不断提高，DBC陶瓷基板技术逐渐成为高功率电子器件（如IGBT、GaN等）的散热和封装的首选技术之一。同时，该技术也在光伏、电动汽车、通信等领域得到了广泛的应用。

目前常用的陶瓷基板材料包括氧化铝（Al2O3）、氮化铝（AlN）和氧化锆增韧氧化铝（ZTA）。在DBC技术的基础上，也出现了如FJ Composite的S-DBC技术等新工艺，通过在陶瓷表面沉积Ti层并与铜结合实现更高效的金属直接敷接。此外，活性金属钎焊（AMB）与直接敷铝（DBA）等工艺也从DBC技术延伸发展而来。

二、DBC工艺的原理

直接敷铜陶瓷基板(DBC)是在铜与陶瓷之间加入氧元素，在1065~1083℃温度间得到Cu-O共晶液，随后反应得到中间相（CuAlO2或CuAl2O4），从而实现Cu板和陶瓷基板化学冶金结合，最后再通过光刻技术实现图形制备，形成电路。

DBC陶瓷基板分为3层，中间的绝缘材料是Al2O3或者AlN。Al2O3的热导率通常为24W/(m·K)，AlN的热导率则为170W/(m·K)。DBC基板的热膨胀系数与Al2O3/AlN相类似，非常接近LED外延材料的热膨胀系数，可以显著降低芯片与基板间所产生的热应力。

三、DBC主要工艺流程及关键技术

1、工艺流程：

陶瓷基片和铜箔的清洗烘干→铜箔预处理→铜箔与陶瓷基片的高温共晶键合→冷热阶梯循环冷却→质检→按要求刻蚀图形→化学镀镍(或镀金)→质检→激光划片、切割→成品质检→真空或充氮气包装→入成品库。

2、关键技术

需注意的是，在DBC基板制备过程中，需要严格控制共晶温度与氧含量，氧化时间与氧化温度是最重要的两个参数。铜箔经过预氧化后，键合界面能形成足够CuxOy相润湿Al2O3陶瓷与铜箔，具有较高的结合强度；若铜箔未经过预氧化处理，CuxOy润湿性较差，键合界面会残留大量空洞和缺陷，降低结合强度及热导率。对于采用AlN陶瓷制备DBC基板，还需对陶瓷基片进行预氧化，先生成Al2O3薄膜，再与铜箔发生共晶反应。

四、DBC陶瓷基板的性能

DBC陶瓷基板集成了高导热性、高绝缘性、高机械强度和低热膨胀等优良特性，并兼具无氧铜的高导电性能及优异的焊接性能。其主要性能特点包括：

1. 优良的绝缘性能：DBC基板可以有效地将芯片与模块散热底板隔离，提高模块的绝缘能力，且陶瓷层的绝缘耐压可超过2.5KV。

2. 出色的导热性能：DBC基板的热导率范围为20-260W/mK，能有效将IGBT模块在运行过程中产生的热量传导至散热底板，保障整体散热的有效性。

3. 热膨胀系数接近硅：DBC基板的热膨胀系数（7.1ppm/K）与硅相近，能有效避免对芯片产生的应力损害，其抗剥离力达到20N/mm2，展现出优异的机械性能和抗腐蚀能力。

4. 良好的机械强度：由于使用厚铜箔与高性能陶瓷材料，DBC基板表现出卓越的机械强度和可靠性。

5. 强大的载流能力：铜导体的电性能优异，使DBC基板能够支持高功率容量的应用。

6. 蚀刻能力：与PCB板相似，DBC基板同样可以实现各种图形的蚀刻。

五、DBC陶瓷基板的应用

DBC陶瓷基板的应用领域非常广泛，涵盖大功率白光LED模组、紫外/深紫外LED器件封装、激光二极管（LD）、汽车传感器、制冷型红外热成像、5G光通信、高端制冷器、聚焦型光伏（CPV）、微波射频器件及电子电力器件（IGBT）等多个领域。

虽然AMB和DBA等新型陶瓷基板在市场上逐渐崭露头角，但这并不意味着它们能完全取代DBC。在功率和成本的不同应用场景下，两者都有其各自的市场需求。因此，DBC陶瓷基板在未来仍将保持较大的市场空间和应用潜力。