中国粉体网讯 在“新四化”的浪潮下，新能源汽车早已成为芯片“大户”，而随着半导体芯片功率不断增加，轻型化和高集成度的发展趋势日益明显，散热问题的重要性也越来越突出，这无疑对封装散热材料提出了更为严苛的要求。
陶瓷作为新兴的电子材料，具备较高的导热性、低介电损耗、绝缘性、耐热性、强度以及与芯片匹配的热膨胀系数，是功率型电子元器件理想的封装散热材料，成为电动汽车散热的解决方案之一。
金属化助力陶瓷突破应用难题
陶瓷用于电路中，必须对其金属化，即在陶瓷表面敷一层与陶瓷粘结牢固而又不易被熔化的金属薄膜，使其导电，随后用焊接工艺与金属引线或其他金属导电层相连接而成为一体。
表面金属化对陶瓷基板的制作而言是至关重要的一环，这是因为金属在高温下对陶瓷表面的润湿能力决定了金属与陶瓷之间的结合力，良好的结合力是芯片封装性能稳定性的重要保证。
目前，实现陶瓷与金属连接方式主要有两种，一种方式是让二者在固态下实现连接，如直接覆铜法、直接敷铝法、厚膜法等等。但事实证明能够与某一特定陶瓷直接进行结合的金属并不多，往往需要在二者界面上引入其他元素或在极端苛刻的条件下才能实现敷接。
另一种方式是首先在陶瓷表面形成金属化薄膜作为过渡层，以改变陶瓷表面形貌及微观组织结构，为最终金属能够顺利在陶瓷表面实现金属化做准备，如物理气相沉积、化学气相沉积等。（在此背景下，中国粉体网将于2023年9月12日在合肥举办“第一届电动车用陶瓷材料技术研讨会”。届时，来自清华大学潘伟教授将带来题为《电动车用高导热陶瓷基板金属化技术》，潘伟教授将简要介绍现已有的几种金属化方法，阐述其团队近几年开发的新型的利用等离子喷涂实现陶瓷金属化及在陶瓷基板上一步法制备金属电路技术，欢迎报名参会。）
目前，常用金属化方式有厚膜金属化、薄膜金属化、直接敷铜法金属化、共烧法金属化(HTCC/LTCC)、化学镀金属化等。
厚膜金属化（TPC）
厚膜法是在基板上通过丝网印刷技术、微笔直写技术和喷墨打印技术等微流动直写技术在基板上直接沉积导电浆料，经高温烧结形成导电线路和电极的方法，该方法适用于大部分陶瓷基板。
该方法工艺简单，但受限于导电浆料和丝网尺寸，不适合小批量、精细基板的生产。并且，采用厚膜法成形的导电线路电学性能较差，因此采用厚膜法的陶瓷基板仅能用于对功率和尺寸要求较低的电子器件中。
薄膜金属化（TFC）
薄膜金属化法采用溅射镀膜等真空镀膜法使膜材料和基板结合在一起，通常在多层结构基板中，基板内部金属和表层金属不尽相同，陶瓷基板相接触的薄膜金属应该具有反应性好、与基板结合力强的特性，表面金属层多选择电导率高、不易氧化的金属。
由于是气相沉积，原则上任何金属都可以成膜，任何基板都可以金属化，而且沉积的金属层均匀，结合强度高。但薄膜金属化需要后续图形化工艺实现金属引线的图形制备，成本较高。
直接覆铜法（DBC）
DBC是在陶瓷表面(主要是Al2O3和AlN)键合铜箔的一种金属化方法，它是随着板上芯片(COB)封装技术的兴起而发展出来的一种新型工艺。
直接覆铜法所形成的金属层具有导热性好、附着强度高、机械性能优良、便于刻蚀、绝缘性及热循环能力高的优点。DBC技术主要的缺点是铜箔厚度较大，后续通过化学蚀刻过程很难得到高精度导线，而且界面氧元素难以控制，铜箔与陶瓷之间容易出现气孔，导致最终器件性能不稳定，还有待于进一步的基础技术研究。
活性金属钎焊技术(AMB）
活性焊铜工艺（AMB）是DBC工艺技术的进一步发展，它是利用钎料中含有的少量活性元素与陶瓷反应生成能被液态钎料润湿的反应层，从而实现陶瓷与金属接合的一种方法。
AMB基板是靠陶瓷与活性金属焊膏在高温下进行化学反应来实现结合，因此其结合强度更高，可靠性更好。但是由于该方法成本较高、合适的焊料较少、焊料对于焊接的可靠性影响较大。
共烧法（LTCC/HTCC）
共烧法是很常用的一种多层陶瓷烧结工艺，内部可以布线，表层可以金属化。一般共烧陶瓷有两种，一种是HTCC(高温共烧工艺)，一种是LTCC(低温共烧工艺)。
HTCC需要很高的烧结温度，使用者已经极少，基本被LTCC代替，LTCC技术是支撑高性能基板的技术之一，加工成多层基板的LTCC常被用作高频模块基板。
化学镀金属化法
化学镀法是指在没有外电流通过，利用还原剂将溶液中的金属离子还原在呈催化活性的物体表面，使之形成金属镀层。化学镀法金属化机理主要是机械联锁结合，结合强度很大程度上依赖于基体表面的粗糙度，在一定范围内，基体表面的粗糙度越大，结合强度越高。
激光金属化法
激光金属化法利用激光的热效应使AlN表面发生热分解，直接生成金属导电层。激光照射到AlN陶瓷表面后，陶瓷表面吸收激光的能量，表面温度上升。当AlN表面温度达到热分解温度时，AlN表面就会发生热分解，析出金属铝。具有成本低、效率高、设备维护简单等优点，在生产实践中得到了广泛的应用。
陶瓷金属技术：新能源汽车散热解决方案
陶瓷继电器
高压直流真空继电器，在由金属与陶瓷封接的真空腔体中，陶瓷绝缘子滑动连接在动触点组件与推动杆之间，使动触点和静触点无论是在导通成断开的任何状态下都与继电器的导磁轭铁板、铁芯等零件构成的磁路系统保持良好的电绝缘，从而保证了继电器在切换直流高电压负载时的断弧能力，电弧是汽车自燃的主要原因。只有采用“无弧”接通分断的继电器产品，才是从根本上解决“自燃”问题的良方。
继电器陶瓷壳体，来源：安地亚斯
IGBT领域
陶瓷覆铜板是铜-陶瓷-铜“三明治”结构的复合材料，具有陶瓷的散热性好、绝缘性高、机械强度高、热膨胀与芯片匹配的特性，又兼有无氧铜电流承载能力强、焊接和键合性能好、热导率高的特性，几乎成为SiC MOSFET在新能源汽车领域主驱应用的必选项。
SiC MOSFET封装模块剖面图，来源：低温烧结银、中信建投
目前，AMB技术实现了氮化铝和氮化硅陶瓷与铜片的覆接，可大幅提高陶瓷基板可靠性，逐步成为中高端IGBT模块散热电路板主要应用类型。据资料显示，意法半导体，比亚迪半导以及时代电气都确定了AMB氮化硅基板上车的技术路线。
LED封装领域
近几年来，LED技术在汽车照明系统中占有越来越重要的地位，对于现有LED光效水平而言，由于输入电能的80-85%左右转变成热量，且LED芯片面积小，工作电流大，造成芯片工作的温度高，因此，芯片散热是LED封装必须解决的关键问题。
AlN基板覆铜在LED领域
氮化铝陶瓷基板由于其具有高导热性、散热快且成本相对合适的优点，受到越来越多的LED制造企业的青睐，广泛的应用于高亮度LED封装、紫外LED等。
最后
虽然陶瓷与金属的连接方法很多，但每种方法都有其自身的优点和局限性，甚至有些方法还处于实验研究阶段，一时难以实用化。如何对高热导率陶瓷材料进行强结合金属化，应对高温焊接及应对长期使用过程中高低温振荡，将成为亟待深入研究的热门话题。
参考来源：
范彬彬等：陶瓷与金属连接的研究及应用进展
秦典成等：陶瓷金属化研究现状及发展趋势
新材料在线：陶瓷邂逅金属化新技术，未来5G再下一城
中国粉体网
（中国粉体网编辑整理/空青）
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