摘要：對于電子封裝而言，封裝基板起著承上啟下，連接內(nèi)外散熱通道的關鍵作用，同時兼有電互聯(lián)和機械支撐等功能。對于陶瓷基片而言，其本身不導電，因而需要將其覆銅以滿足電氣互聯(lián)要求。覆銅工藝中，AMB（活性金屬焊接陶瓷基板）工藝為利用含少量活性元素的活性金屬焊料實現(xiàn)銅箔與陶瓷基片間的焊接。相較于DPC（直接電鍍陶瓷基板）、DBC（直接鍵合陶瓷基板），AMB工藝研究呈現(xiàn)較大增長趨勢，是各國的研究熱點。AMB陶瓷基板靠陶瓷與活性金屬焊料在高溫下進行化學反應來實現(xiàn)結合，相比于DPC、DBC覆銅陶瓷基板呈現(xiàn)更高的結合強度、耐冷熱循環(huán)，體現(xiàn)出更高的可靠性，極適用于連接器或?qū)﹄娏鞒休d大、散熱要求高的場景。本文以AMB覆銅工藝相關專利申請作為研究對象，重點分析相關專利申請趨勢、重點申請人技術發(fā)展路線、焊料發(fā)展，以期對國內(nèi)AMB覆銅基板的研發(fā)提出一些指導方向。

01

陶瓷基板AMB覆銅專利技術概述

專利申請趨勢

AMB工藝的相關專利申請趨勢可以分為萌芽期、第一發(fā)展期及第二發(fā)展期三個階段，如圖1所示。第一階段的萌芽期，從1970年到1980年，這一時期全球在該領域的申請量很少。第二階段的第一發(fā)展期，1981年至2004年。在第一發(fā)展階段，AMB工藝的全球申請大幅增加，1991年相關專利申請達到了第一個頂峰。這一時期，氮化鋁、氮化硅、碳化硅陶瓷基板的大量開發(fā)推動了與這些基板更適配的AMB覆銅工藝快速發(fā)展。在經(jīng)歷了2003年和2004年兩年的專利申請量小幅度下降后，AMB工藝進入第三階段的第二發(fā)展期，從2005年至今。這一時期，電動汽車、電力機車以及半導體照明、航空航天、衛(wèi)星通信的高速發(fā)展階段對半導體芯片的載體提出了更高的要求，促進了性能更優(yōu)的AMB工藝再次進入高速發(fā)展期。2020年，申請量達到了第二個頂峰，申請量達59項。

圖1.陶瓷基板AMB覆銅工藝全球申請趨勢

重點申請人技術路線

為了借鑒國內(nèi)外優(yōu)秀企業(yè)的技術經(jīng)驗，增強我國創(chuàng)新主體的創(chuàng)新能力，下面挑選代表性企業(yè)東芝（日本）、羅杰斯（美國）、富樂華（日資中企），對其技術路線進行分析。

(1)東芝

基于對我國研發(fā)、產(chǎn)業(yè)布局借鑒的考量，主要對東芝2003年至今的專利申請進行技術路線分析，圖2顯示了東芝的技術路線圖。

圖2.東芝AMB工藝技術發(fā)展路線圖

在焊料方面，主要是在Ag-Cu-Ti基礎上添加Sn、In降低熔點，添加碳調(diào)節(jié)焊料流動性和接合層硬度、熱膨脹系數(shù)，添加第Ⅷ族過渡金屬如Co、Pd等，抑制了妨礙潤濕性（接合性）的反應生成物的過剩生成，添加Ti的化合物如氫化物、氧化物、氮化物等調(diào)節(jié)焊料性能，不加銀使得接合層生成多種配比的Cu-Sn合金及Cu-In合金緩解熱應力。

在基板方面，2010年提出在氮化鋁晶粒的晶界處包含小尺寸稀土元素和鋁的復合氧化物晶粒并限定晶粒尺寸，獲得導熱系數(shù)為160~190W(m·K)的氮化鋁基板，即使不進行研磨，也能夠獲得超過500MPa的抗彎強度并提供具有優(yōu)異的接合強度(24kN/m)的電路基板。2012年提出在氧化鋁中加入低于0.5wt%的鈉、硅、鐵的無機氧化物作為燒結助劑，使燒結性提高、燒結時間縮短從而大幅度降低成本，另外還能提高接合強度。

在銅板方面，提出了限定銅板表面和內(nèi)部晶粒尺寸以及銅板、陶瓷板的厚度比，通過控制銅板表面晶粒尺寸獲得了良好的潤濕性、結合強度、耐冷熱循環(huán)性能(TCT)、對位精度和可靠性，通過控制內(nèi)部晶粒尺寸能夠使銅電路更精細化、TCT、結合強度、彎曲強度提高。

在結構方面，其對接合層端部結構進行了深入研究，在2010年提出控制接合層突出部和非突出部中相分布差異實現(xiàn)減少熱膨脹差、緩和應力、減少結合缺陷、提高TCT的目標；隨后提出進一步控制接合層突出部露出量、攀上量和金屬板界面內(nèi)角提升對位精度，緩和應力，提高TCT；還對接合層顆粒、Ti元素分布進行控制，改善潤濕、提高結合強度。其他方面，其通過使金屬被膜覆蓋金屬板的側(cè)面和接合突出部提高散熱、TCT性能；通過控制表、背面金屬層厚度關系抑制基板翹曲。在工藝方面，其采用連續(xù)爐控制升溫、冷卻速度和氣氛，提高了產(chǎn)能和結合質(zhì)量。

(2)羅杰斯

羅杰斯是全球高頻覆銅板龍頭供應商，圖3顯示了羅杰斯的技術路線圖。對于陶瓷基片結合面的結構是羅杰斯最早專注的改進對象。2005年德國庫拉米克專利申請DE4A1提出通過在陶瓷基板和金屬層中間設置氧化物陶瓷中間層，所述中間層具有小于300GPa的彈性模量，從而能夠平衡氮化硅陶瓷和金屬化層的熱膨脹系數(shù)差異，可使金屬化厚度是氮化硅陶瓷基層厚度的3倍，具有優(yōu)異的結合強度。2011年羅杰斯收購庫拉米克，該專利轉(zhuǎn)讓給羅杰斯。

圖3.羅杰斯公司AMB工藝的專利技術路線圖

2014年開始金屬層結構優(yōu)化，提出通過在金屬層上表面設置凹部緩解熱應力，2019年，又提出控制陶瓷層和金屬化層厚度比從而調(diào)整二者間熱膨脹系數(shù)差異和在金屬層上設置凹部協(xié)同在與基片結合面上的棱邊處覆蓋填充材料實現(xiàn)熱應力緩解和薄弱部位加固，從而提高耐溫度變化性能。2020年，開始焊料層結構優(yōu)化，通過將焊接體系分離實現(xiàn)盡可能薄的焊接層，甚至能夠軋制焊接層厚至小于7μm，該方法可以減少焊接層材料節(jié)約成本并簡化后續(xù)刻蝕工藝，加速金屬層的結合過程。

此外在工藝方面，羅杰斯采用AMB工藝替代DBC工藝進行上表面金屬層鍵合從而簡化后續(xù)刻蝕減薄、通過在銅板上設置凹部使之與陶瓷基片選擇性結合，然后在未結合部位斷裂基片從而高效地實現(xiàn)具有側(cè)向凸出于陶瓷層的金屬層的基板、通過借助于熱等靜壓將金屬子層連結到陶瓷元件上構成金屬陶瓷基板，將金屬成功地、盡可能無氣孔地、節(jié)省能量且工藝安全地連結到陶瓷上，即從結合工藝優(yōu)化、制備流程優(yōu)化到加壓容器優(yōu)化方面實現(xiàn)工藝過程的改進。

對于焊料，其在2016年提出通過軋制將活性金屬焊料包覆在金屬層上，將焊劑層的厚度減小到小于12μm，尤其減小到小于7μm，極大提高了復合材料承受機械負荷以及熱負荷的能力并且成本便宜，此外該方法能夠整面地覆蓋焊劑帶。2018年，提出無銀焊料，實現(xiàn)降低成本并且避免銀遷移。

對于基板，在2013年提出了通過優(yōu)化氧化鋁基板組成和晶粒尺寸改進熱導率，陶瓷層具有大于25W/mK的熱導率，因此可根據(jù)應用情況將金屬化層的層厚度減小至0.05mm；并通過增加二氧化鋯的四角形晶體結構和從陶瓷中析出玻璃相帶來熱導性的改進。對于銅板，2018年其提出將兩層具有不同晶粒尺寸的銅層層疊起來作為銅層可以有效減少熱應力，提高覆銅基板的耐冷熱循環(huán)性能。

(3)富樂華

富樂華半導體由上海申和投資有限公司控股（上海申和投資有限公司是日本磁性流體技術控股有限公司Ferrotec的全資子公司），專業(yè)從事半導體功率模塊覆銅陶瓷基板(AMB、DCB和DPC)研發(fā)、制造、銷售，圖4顯示了富樂華公司AMB工藝的專利技術路線圖。其早期專利CN109360791A(2018)是通過轉(zhuǎn)讓獲得的其控股公司在華相關有效專利。通過使用精雕機在銅片的圖案周邊雕刻出凹槽；然后在銅片上需要鍵合的區(qū)域涂裝釬焊材料；結合后使用雕刻機刻穿所述銅片上開設有凹槽處，實現(xiàn)開設有凹槽處的銅片上下貫穿；剝離表面銅片上未釬焊處的銅材。采用精雕工藝替代刻蝕工藝，無需刻蝕就可得到產(chǎn)品圖形。簡化生產(chǎn)流程，縮短生產(chǎn)時間；同時去除刻蝕工序后，減少了對環(huán)境的污染。然而上述方案還存在焊膏不易獲得均勻焊縫，含銀焊料影響刻蝕線路精度、銀遷移導致可靠性下降等問題，基于此，其在2020年提出了在氮化硅基板表面貼裝不含銀的預成型焊片替代焊膏的技術方案，有效提高了焊接層的均勻性，降低銅瓷界面之間的殘余應力，從而提高銅瓷界面的結合力，同時減少環(huán)境污染的風險。獲得的結合強度達9~18N/mm，耐冷熱循環(huán)性能大于6000次(-55~150℃)。進一步的，為了優(yōu)化覆銅陶瓷基板在高壓或者局部高壓條件下引起的絕緣可靠性問題，2022年富樂華提出了在陶瓷基板表面制備鋁金屬化層并通過陽極氧化獲得氧化層，然后再進行后續(xù)AMB工藝的方法，獲得了Cu-Al陽極氧化層-陶瓷-Al陽極氧化層的結構，在傳統(tǒng)的覆銅陶瓷基板基礎上引入高強度鍵合的絕緣鋁陽極氧化層，提高了產(chǎn)品的高壓絕緣可靠性。

圖4.富樂華公司AMB工藝的專利技術路線圖

(4)焊料

AMB焊料中Ag-Cu-Ti基為主流，其中Ti，Zr，Hf，V，Nb和Ta形成與陶瓷基板的良好潤濕、反應性，提供結合強度的基礎，在此基礎上，根據(jù)TCT(耐冷熱循環(huán))、可靠性需要逐漸發(fā)展出其他改性組分，如降低熱膨脹系數(shù)、提升硬度、流動性(碳粉、陶瓷粉)，降低結合溫度(In，Zn，Cd和Sn)，降低應力集中(TiO、TiO2等均勻分散微粒)，添加高熔點組分(Mo、Os、Re、W、陶瓷、氮化鋁、氧化鋁、氮化硅)，添加高活性組分(如TiH2等)，添加抗氧化劑(Cr、Al、Si、Ni)，提高結合強度(Ce或其復合稀土化合物、Zn、Be、Li)，降低殘余應力(硼酸鉛玻璃或硼酸鉛鋅玻璃)等改性組分，不同種類組分可單獨添加，也可多種同時選用以期優(yōu)勢互補，獲得優(yōu)異綜合性能；對于焊料使用形態(tài)，可使用相應組成的膏、漿、箔、絲；或分層先通過涂覆、鍍覆(CDV/PVD/磁控濺射/離子鍍等)方式在基板表面預涂一層活性金屬，然后再涂覆基礎焊料，實現(xiàn)活性金屬的均勻涂覆、減少用量、降低成本；或利用Ag-Cu合金粉末(或銀包銅粉)+活性金屬粉末+其他功能組分的形式；或利用Ag-Cu-活性金屬三元合金粉末+其他功能組分的形式；還可對微粉進行有機物包覆實現(xiàn)均勻分散、穩(wěn)定。此外，隨著性能發(fā)展達到一定高點開始尋求低成本焊料，發(fā)展出降低稀有金屬含量，Cu-7P-15Sn-10Ni(熔點580℃)，Sn-Cu(230℃)和Sn-0.7Cu-P-0.03Ni(220℃)基無銀釬料，并在此基礎上進行多類型粉末混合、粒徑分布設計和焊料多層結構設計，同時實現(xiàn)較好結合強度、耐熱循環(huán)性能。

03

結語

從國內(nèi)外申請人專利申請量排名看，日本在陶瓷基板AMB覆銅工藝研究方面實力強勁，且體現(xiàn)了高度的技術集中，具有多家頭部企業(yè)。國內(nèi)起步較晚，目前呈現(xiàn)出小而散的局勢，但處于快速的追趕階段，在市場和政策的多重驅(qū)動下，通過專利轉(zhuǎn)讓、收購、產(chǎn)學研結合呈現(xiàn)出快速發(fā)展的勁頭，進一步加大投入增強創(chuàng)新勢在必行。

AMB覆銅陶瓷基板的核心問題是結合強度和耐冷熱循環(huán)性能，焊料成分、配比、接合溫度、時間、預處理工藝、結構設計等影響界面潤濕(空洞)、反應(脆性金屬間化合物、反應層結構)和殘余應力(端面形狀、元素分布、熱膨脹系數(shù)匹配)，進而決定最終界面結合強度、耐熱循環(huán)(TCT)、導熱/散熱性能等。整體上看，國外專利尤其是日本專利技術細節(jié)介紹比較詳細。國內(nèi)在核心的焊料、工藝參數(shù)方面研究較為薄弱，未來還需要進一步圍繞焊料等關鍵技術進行突破。

2024先進陶瓷在半導體與新能源領域應用高峰論壇將定于6月5日在蘇州金陵雅都大酒店隆重舉行！論壇將高度圍繞第三代半導體材料，半導體晶圓與芯片制程設備(如光刻機、等離子刻蝕機、離子注入機、熱處理爐、擴散爐、CVD設備)用精密陶瓷零部件、新能源汽車用陶瓷軸承、半導體功率器件及封裝、涵蓋半導體新能源行業(yè)應用的陶瓷新材料、精密陶瓷零部件制備新工藝、燒結新技術、新裝備及產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，而舉辦的一場高端論壇與互動交流活動，誠邀您蒞臨參會！

聲明：

文章內(nèi)容來源于洞見熱管理。僅作分享，不代表本號立場，如有侵權，請聯(lián)系小編刪除，謝謝！