0?前世

電路板被很多人譽為電子產(chǎn)品之母，它是計算機、手機等消費電子產(chǎn)品的關(guān)鍵部件，在醫(yī)療、航空、新能源、汽車等行業(yè)有著廣泛應(yīng)用。縱觀發(fā)展簡史，每一次技術(shù)進步都直接或間接影響著全人類。在電路板誕生之前，電子設(shè)備都包含許多電線，它們不僅會糾纏在一起，占用大量空間，而且短路的情況也不罕見。這個問題對于電路相關(guān)的工作人員來說是個非常頭疼的問題。

于是在1900-1920年的時候德國發(fā)明家阿爾伯特-漢森第一個提出PCB概念。他開創(chuàng)了使用的概念 “電線” 用于電話交換系統(tǒng), 金屬箔用于切割線路導(dǎo)體, 然后將石蠟紙粘在線路導(dǎo)體的頂部和底部, 并在線路交叉處設(shè)置過孔，實現(xiàn)不同層間的電氣互連，為PCB制造和發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。

時間來到了1925年，來自美國的Charles Ducas提出了一個前所未有的想法，即在絕緣基板上印刷電路圖案，隨后進行電鍍以制造用于布線的導(dǎo)體.?專業(yè)術(shù)語“PCB”由此而來，這種方法使制造電器電路變得更為簡單。

1936年，英國的Paul Eisler因其第一個發(fā)表了薄膜技術(shù)，開發(fā)了第一個用于收音機的印刷電路板而被奉為“印刷電路之父”。他使用的方法與我們今天用于印刷電路板的方法非常相似。而在日本，宮本喜之助以噴附配線法“メタリコン法吹著配線?法(特許119384號)”成功申請專利。而兩者中Paul Eisler 的方法與現(xiàn)今的印制電路板最為相似，這類做法稱為減去法，是把不需要的?屬除去；而Charles Ducas、宮本喜之助的做法是只加上所需的配線，稱為加成法。雖然如此，但因為當時的電?零件發(fā)熱量?，兩者的基板也難以配合使?，以致未有正式的使?，不過該技術(shù)也得到了飛速的進步和發(fā)展。

Paul Eisler的技術(shù)發(fā)明被美國大規(guī)模用于制造二戰(zhàn)中使用的近炸引信。?同時,?該技術(shù)廣泛應(yīng)用于軍用無線電。從此PCB板開始走上飛速發(fā)展與進步的道路。

歷史關(guān)鍵事件

1941年，美國在滑?上漆上銅膏作配線，以制作近接信管；

1943年，美國?將該技術(shù)?量使?于軍?收?機內(nèi)；

1947年，環(huán)氧樹脂開始?作制造基板。同時NBS開始研究以印刷電路技術(shù)形成線圈、電容器、電阻器等制造技術(shù)；

1948年，美國正式認可這個發(fā)明?于商業(yè)?途；

1950年，?本使?玻璃基板上以銀漆作配線；和以酚醛樹脂制的紙質(zhì)酚醛基板（CCL）上以銅箔作配線；

1951年，聚酰亞胺的出現(xiàn)，便樹脂的耐熱性再進?步，也制造了聚亞酰胺基板；

1953年，Motorola開發(fā)出電鍍貫穿孔法的雙?板。這?法也應(yīng)?到后期的多層電路板上；

1960年，V. Dahlgreen以印有電路的?屬箔膜貼在熱可塑性的塑膠中，造出軟性印制電路板；

1961年，美國的Hazeltine Corporation參考了電鍍貫穿孔法，制作出多層板；

1967年，發(fā)表了增層法之?的“Plated-up technology”；

1969年，F(xiàn)D-R以聚酰亞胺制造了軟性印制電路板；

1979年，Pactel發(fā)表了增層法之?的“Pactel法”；

1984年，NTT開發(fā)了薄膜回路的“Copper Polyimide法”；

1988年，西門?公司開發(fā)了Microwiring Substrate的增層印制電路板；

1990年，IBM開發(fā)了“表?增層線路”（Surface Laminar Circuit，SLC）的增層印制電路板；

1995年，松下電器開發(fā)了ALIVH的增層印制電路板；

1996年，東芝開發(fā)了Bit的增層印制電路板；

1?今生

當今世界隨著集成電路技術(shù)的誕生，進入先進電子制造業(yè)的時代，PCB逐漸成為了行業(yè)必不可少的核心產(chǎn)品。集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展對于電路板逐漸提出了不同的性能要求。隨著電子設(shè)備不斷縮小，也使得機械制造的PCB制備工藝更高。目前市面上的PCB從材料大類上來分主要可以分為三種：普通基板、金屬基板、陶瓷基板。普通的基板就是我們平時看到的電腦里的主板手機里的主板，都是普通的環(huán)氧樹脂基板，優(yōu)點是便于設(shè)計成本低廉。

當下，電子器件向大功率化、高頻化、集成化方向發(fā)展，其元器件在工作過程中產(chǎn)生大量熱量，這些熱量如不能及時散去將影響芯片的工作效率，甚至造成半導(dǎo)體器件損壞而失效因此，為保證電子器件工作過程的穩(wěn)定性，對電路板的散熱能力提出了更高的要求。傳統(tǒng)的普通基板和金屬基板不能滿足當下工作環(huán)境下的應(yīng)用。陶瓷基板具有絕緣性能好、強度高、熱膨脹系數(shù)小、優(yōu)異的化學穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性能脫穎而出，是符合當下高功率器件設(shè)備所需的性能要求。

1.1 陶瓷粉體

目前常用的高導(dǎo)熱陶瓷粉體原料有氧化鋁（Al2O3）、氮化鋁（AlN）、氮化硅（Si3N4）、碳化硅（SiC）和氧化鈹（BeO）等。隨著國家大力發(fā)展綠色環(huán)保方向，由于氧化鈹有毒性逐漸開始退出歷史的舞臺。碳化硅又因為其絕緣性差，無法應(yīng)用在微電子電路中。而Al2O3、AlN、Si3N4陶瓷粉體具有無毒、高溫穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱性好，以及與Si、SiC和GaAs等半導(dǎo)體材料相匹配的熱膨脹系數(shù)，得到了廣泛推廣應(yīng)用。幾種粉體的熱導(dǎo)率和綜合評價如下表所示，目前主流用于制備陶瓷基板的粉體原料還是以氧化鋁和氮化鋁為主。

來源：熱管理材料整理 ?

市場中粉體的制備方法主要有硅粉直接氮化法、自蔓延高溫合成法、碳熱還原法。

（1）硅粉直接氮化法和自蔓延高溫合成法是比較主流的方法，但由于反應(yīng)溫度接近甚至超過原料的熔點，往往造成產(chǎn)物形貌不規(guī)則、ɑ相含量低、團聚嚴重，需要進一步破碎，在后續(xù)處理中容易引入其他雜質(zhì)；

（2）碳熱還原法是具有原料豐富、工藝簡單、成本低等優(yōu)點，非常適合大批量生產(chǎn)；

1.2?陶瓷基板制備工藝

流延成型技術(shù)是標準的濕法成型工藝，可一次性成型制備厚度范圍在幾十微米到毫米級別的陶瓷生坯，并通過進一步的層壓、脫脂、燒結(jié)形成陶瓷基片，主要應(yīng)用于電子基板、多層電容器、多層封裝、壓電陶瓷等。與傳統(tǒng)的粉末冶金干法制備工藝相比，流延工藝制備出的陶瓷薄片均勻性好、通透性高，在要求比較高的集成電路 領(lǐng)域深受歡迎。陶瓷基板常用的成型方法主要以流延成型為主。流延工藝的流程圖如下所示： ?

來源：陶瓷材料流延成型工藝的研究進展 ? ?

1.3?流延漿料的組成

流延漿料是流延成型的重要組成部分，根據(jù)溶劑性質(zhì)的不同，流延漿料又分為有機流延成型工藝和水基流延成型工藝。 （1）陶瓷粉體是流延漿料的主相，是坯片的主要成分， 影響著流延成品的導(dǎo)熱性、電阻率、介電常數(shù)、化學穩(wěn)定 性以及機械強度。陶瓷粉體的顆粒尺寸、粒度分布以及粉體的結(jié)晶形貌都對流延工藝以及流延膜的質(zhì)量有較大影響， 因此在選擇粉體的時候需要考慮以下特征：化學純度、顆粒尺寸、粉體形貌； （2）粘結(jié)劑作為流延漿料體系的唯一連續(xù)相，它能包裹住粉料顆粒，并固化形成三維立體結(jié)構(gòu)，增 ? ? ? 燒結(jié)可分為有液相參加的燒結(jié)和純固相燒結(jié)兩類。燒結(jié)過程對陶瓷生產(chǎn)具有很重要的意義。為降低燒結(jié)溫度，擴大燒成范圍，通常加入一些添加物作助熔劑，形成少量液相，促進燒結(jié)。陶瓷燒結(jié)是陶瓷加工中的一種重要工藝，其過程分為三個階段：預(yù)燒階段、燒結(jié)階段和冷卻階段。

預(yù)燒階段：在這個階段，陶瓷制品會被放入爐子中進行預(yù)燒處理，用來去除陶瓷中的水分和有機物質(zhì)。高溫下，水分和有機物質(zhì)會被分解并釋放出來，讓制品干燥且有機物質(zhì)燃燒殆盡。這一階段的主要目的是為了減少燒結(jié)時產(chǎn)生的氣泡等缺陷。

燒結(jié)階段：在預(yù)燒之后，制品會被加熱到高溫下進行燒結(jié)。這個階段是陶瓷工藝中最關(guān)鍵的一步，也是最困難的一步。在高溫下，陶瓷顆粒會開始熔化和結(jié)合在一起，形成一個堅固的陶瓷結(jié)構(gòu)。這一階段需要控制好溫度、時間和壓力等因素，使得陶瓷能夠充分結(jié)合，而不會出現(xiàn)燒結(jié)不完全或者表面開裂等缺陷。

冷卻階段：在燒結(jié)完成后，制品需要進行冷卻，使得陶瓷結(jié)構(gòu)能夠逐漸穩(wěn)定下來。如果制品過早地被取出爐子，容易導(dǎo)致熱應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋。因此，一般會采取緩慢冷卻的方式，讓制品溫度逐漸降下來。在冷卻過程中，還需要將爐門緩慢地打開，逐漸將爐內(nèi)壓力和爐外壓力平衡，以避免制品瞬間受到外界壓力而發(fā)生破裂。

1.5 陶瓷材料的導(dǎo)熱性影響因素

高導(dǎo)熱性非金屬固體通常具備以下４個條件：構(gòu)成的原子要輕、原子間的結(jié)合力要強、晶格結(jié)構(gòu)要單純、晶格振動的對稱性要高。陶瓷材料的導(dǎo)熱性的影響因素：（1）原料粉體，原料粉體的純度、粒度、物相會對材料的熱導(dǎo)率、力學性能產(chǎn)生重要影響。由于非金屬的傳熱機制為聲子傳熱，當晶格完整無缺陷時，聲子的平均自由程越大，熱導(dǎo)率越高，而晶格中的氧往往伴隨著空位、位錯等結(jié)構(gòu)缺陷，顯著地降低了聲子的平均自由程，導(dǎo)致熱導(dǎo)率降低；

（2）在燒結(jié)過程，添加的燒結(jié)助劑中可以與陶瓷粉體表面的原生氧化物發(fā)生反應(yīng)，形成低熔點的共晶熔液，利用液相燒結(jié)機理實現(xiàn)致密化。然而，燒結(jié)助

來源：《熱管理材料》整理 ?

AMB工藝是金屬釬料實現(xiàn)氮化鋁與無氧銅的高溫結(jié)合，以結(jié)合強度高、冷熱循環(huán)可靠性好等優(yōu)點，不僅具有更高的熱導(dǎo)率、更好的銅層結(jié)合力，而且還有熱阻更小、可靠性更高等優(yōu)勢。AMB陶瓷基板缺點在于工藝的可靠性很大程度上取決于活性釬料成分、焊工藝、舒焊層組織結(jié)構(gòu)等諸多關(guān)鍵因素，工藝難度大，而且還要兼顧成本方面的考慮。

陶瓷具有良好的導(dǎo)熱和絕緣性能，能夠提高 LED 功率水平和發(fā)光效率。功率 LED 已經(jīng)在戶外大型看板、小型顯示器背光源、車載照明、室內(nèi)及特殊照明等方面獲得了大量應(yīng)用。

4.4?第三代半導(dǎo)體SIC加速上車-AMB急速獲益

SiC 加速上車，AMB 隨之受益，Si3N4陶瓷基板的熱膨脹系數(shù)與第 3代半導(dǎo)體襯底SiC晶體接近，使其能夠與SiC晶體材料匹配性更穩(wěn)定。雖然國內(nèi)AMB 技術(shù)有一定積累，但產(chǎn)品主要是?AIN-AMB基板，受制于Si3N4基片技術(shù)的滯后，國內(nèi)尚未實現(xiàn)Si3N4-AMB的商業(yè)化生產(chǎn),核心工藝被美國 Rogers、德國 Heraeus和日本京瓷、東芝高材、韓國 KCC 等國外企業(yè)掌握。

5?未來

未來電氣器件、工業(yè)制造技術(shù)和大功率設(shè)備發(fā)展迅速，設(shè)備的功率密度會持續(xù)升高，散熱問題會持續(xù)被全球行業(yè)內(nèi)人員關(guān)注。同時未來解決更先進器件設(shè)備的散熱問題會對材料提出更嚴苛的要求。陶瓷基板憑借出色的熱導(dǎo)性、絕緣性附加與硅相匹配的熱膨脹系數(shù)，作為散熱件和結(jié)構(gòu)件未來將會持續(xù)發(fā)光發(fā)熱。此外，全球陶瓷基板市場規(guī)模在未來幾年內(nèi)將保持穩(wěn)定增長，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，國產(chǎn)替代空間巨大，布局粉板兼有的上下游一體化公司將脫穎而出。隨著近年來電子產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，我國粉體市場需求快速增長，但是國內(nèi)粉體產(chǎn)量不能滿足市場需求，粉料大量依賴進口。但未來隨著國內(nèi)研究不斷深入，我國粉體制備技藝不斷提高，國內(nèi)外差距正在逐漸縮小，且隨著我國政策大力支持加之市場需求不斷擴大，國內(nèi)粉體產(chǎn)業(yè)正向高質(zhì)量推進。隨著國家政策大力支持，科技型產(chǎn)業(yè)向高質(zhì)量推進，陶瓷基板行業(yè)未來發(fā)展態(tài)勢也會持續(xù)上升，相信在未來我國在陶瓷基板行業(yè)會在全球站穩(wěn)自己的腳跟，具有自己的一席之地。

6?總結(jié)

基于陶瓷基板良好的導(dǎo)熱性、耐熱性、絕緣性和低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點，陶瓷基板在功率電子器件封裝中得到廣泛應(yīng)用。目前，陶瓷基板主要應(yīng)用于IGBT、LD 器件封裝、LED 封裝、芯片封裝模組等。但是有諸多限制其熱導(dǎo)率的因素， 如晶格缺陷、雜質(zhì)元素、晶格氧含量、晶粒尺寸等， 導(dǎo)致高端陶瓷基板的實際熱導(dǎo)率并不高。目前， 就如何提實際熱導(dǎo)率從而實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)還存在一些待解決的問題：粉體顆粒尺寸、燒結(jié)助劑的選擇、實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。但是由于陶瓷流延漿料有機物的影響，導(dǎo)致致密度不高， 而且流延成型的晶粒定向生長不明顯， 如何實現(xiàn)流延片中的氮化硅顆粒定向生長和提升其致密度必將成為未來的研究熱點。此外，目前國內(nèi)的陶瓷基板技術(shù)整體落后，標準缺失，未來迫切需要加強核心技術(shù)與材料的研發(fā)力度，滿足飛速發(fā)展的市場需求。

編輯：黃飛

?