氧化铝金属化陶瓷基板制备
氧化铝金属化陶瓷基板制备 : 从工艺优化到性能突破
一、电力电子领域的核心需求与材料革新
随着 5G 通信、新能源汽车、工业自动化等技术的飞速发展，电力电子器件正朝着高频化、集成化、高功率密度方向演进。作为器件核心载体的电路基板，需要同时满足低信号损耗、高散热效率、强机械稳定性等严苛要求。传统树脂基板在介电性能和耐高温性上的局限日益凸显，而氧化铝陶瓷凭借9-10 的介电常数、＞15kV/mm 的介电强度以及160-200W/(m・K) 的热导率，成为功率模块、射频器件的首选基板材料。
然而，氧化铝陶瓷与金属的直接焊接存在天然障碍，必须通过表面金属化技术构建连接桥梁。这一过程面临多重挑战：烧结收缩率差异导致的基板翘曲（曲率半径＜200mm 时影响电路精度）、界面结合力不足引发的金属层脱落（拉力＜5N/mm 时可靠性骤降），以及高温共烧过程中出现的气泡、分层等缺陷。攻克这些技术难点，成为推动高端电子封装发展的关键突破口。
二、技术路线与核心目标
（一）研究方向聚焦
本文围绕流延成型 – 高温共烧工艺展开研究，通过优化粉体特性、流延参数及共烧制度，制备具备以下性能的氧化铝金属化基板：
几何精度：翘曲度≤0.3%（100mm×100mm 基板）
结合强度：金属 – 陶瓷界面拉力≥15N/mm（ASTM D3330 标准）
电学性能：绝缘电阻＞10¹³Ω・cm（室温），介电损耗＜0.002（1MHz）
（二）产业应用价值
该技术成果可广泛应用于：
新能源汽车：电机控制器基板，承受 800V 高压与 200℃高温环境
5G 基站：射频模块载体，支持 28GHz 以上高频信号传输
工业控制：高功率 IGBT 模块封装，提升设备可靠性 30% 以上
三、全流程制备工艺详解
3.1 原料体系优化设计
（1）陶瓷基体材料
氧化铝粉体：选用纯度≥96% 的 α-Al₂O₃粉末，平均粒径控制在 1-3μm（D50=2.5μm），通过激光粒度仪（测试范围 0.01-2000μm）筛选窄分布粉体，降低烧结收缩率波动（目标≤12%）。
配方改良：添加 1-3%（质量比）的 MgO-SiO₂复合烧结助剂，在 1550℃形成液相促进颗粒重排，致密度可达 98% 以上。
（2）金属化浆料
导电相选择：银浆（纯度≥99.9%，粒径 5-10μm）适用于高频场景（损耗＜0.1dB/cm），铜浆（粒径 10-20μm）适配高功率环境（导热系数提升 20%）。
载体体系：采用乙基纤维素（EC）- 松油醇溶剂体系，粘度控制在 8000-12000mPa・s（25℃，旋转粘度计测量），确保丝网印刷时线条分辨率≤50μm。
3.2 流延成型关键技术
（1）浆料制备工艺
混合工艺：氧化铝粉末与粘结剂（5-8% PVB）、增塑剂（3-5% DBP）、溶剂（二甲苯：乙醇 = 7:3）通过行星球磨（转速 300rpm，时间 12h）实现均匀分散，脱泡处理（真空度 – 0.09MPa，时间 30min）消除气泡缺陷。
流延参数：
– 刮刀高度：100-300μm，生瓷带厚度误差 ±2%
– 流延速度：0.5-1.5m/min，表面粗糙度 Ra≤1μm
– 烘干温度：40-60℃，溶剂残留量＜1%
（2）生瓷带性能指标
厚度：50-200μm（支持 0.1mm 以下超薄基板制备）
柔韧性：弯曲半径≤10mm 无裂纹，满足叠片工艺需求
3.3 金属化图案构建
（1）丝网印刷工艺
网版选择：200-300 目不锈钢网，乳胶厚度 15-25μm，实现线宽 / 线距≥100μm 的精细图案印刷。
印刷参数：刮刀压力 5-10N/cm，角度 45-60°，确保浆料转移率＞90%，边缘粗糙度＜10μm。
（2）多层叠合技术
对准精度：采用视觉对位系统（精度 ±5μm），解决 0.1mm 以下超薄生瓷带的层间偏移问题。
热压工艺：温度 80-120℃，压力 5-10MPa，时间 10-20min，形成无分层的叠层坯体（密度≥90% 理论密度）。
3.4 高温共烧工艺控制
（1）排胶阶段
升温速率：1-3℃/min（＜600℃），停留时间 2-4h，确保有机物（粘结剂 / 增塑剂）完全分解，避免残留碳污染陶瓷基体。
（2）共烧阶段
烧结温度：1550-1600℃（银浆体系）/1000-1100℃（铜浆体系，需氢气保护气氛）
保温时间：2-3h，通过热重 – 差热分析（TG-DTA）确定最佳致密化窗口，致密度提升至 98.5% 以上。
气氛控制：铜浆烧结采用 N₂-H₂混合气体（H₂含量 5-10%），抑制铜氧化（氧化率＜0.5%）。
3.5 后处理工艺
机械加工：精密磨削（砂轮粒度 1000#）实现表面粗糙度 Ra≤0.2μm，激光切割（精度 ±25μm）满足复杂外形需求。
表面处理：化学镀镍金（Ni 层 5-8μm，Au 层 0.1-0.3μm）提升可焊性，盐雾测试（5% NaCl，24h）后腐蚀速率＜0.01mm/year。
四、关键设备配置与性能检测
（1）核心制造设备
流延机：精密厚度控制，刮刀高度调节精度 ±1μm
等静压机：均匀压力加载，压力范围 0-300MPa
烧结炉：温场均匀性，温度波动 ±5℃（1600℃段）
丝网印刷机：高精度对位，重复定位精度 ±10μm
（2）检测设备配置
微观分析：扫描电镜（SEM，分辨率≤5nm）观察界面结合状态
力学测试：万能材料试验机（量程 0-500N）检测焊接拉力
电学测量：高阻计（10¹⁷Ω 量程）测试绝缘电阻，矢量网络分析仪（10MHz-40GHz）测量介电损耗
五、工艺难点与解决方案
（1）界面结合力不足
成因：粉体杂质（Fe₂O₃＞0.1%）导致界面化学反应受阻，金属浆料粒度匹配度差（与陶瓷粉体粒径比＞3:1 时易分层）。
对策：原料纯度提升至 99% 以上，采用喷雾造粒技术制备复合粉体（金属粉包覆 Al₂O₃核壳结构），结合强度可提升至 20N/mm。
（2）基板翘曲变形
成因：烧结温度不均（温差＞10℃）引发收缩不一致，生瓷带厚度公差＞5% 时应力集中。
对策：引入红外测温环（精度 ±2℃）实时监控温场，流延机配备自动纠偏系统（厚度公差控制在 ±1.5%），翘曲度可降至 0.2% 以下。
（3）共烧气泡缺陷
成因：排胶不彻底（残留有机物＞0.5%），烧结升温速率过快（＞5℃/min）导致气体滞留。
对策：增加阶梯式排胶程序（300℃、500℃、700℃分段保温），真空烧结（压力＜10⁻³Pa）促进气体排出，气泡率控制在 1% 以内。
六、技术创新与产业优势
（1）工艺创新点
高效流延技术：通过优化刮刀角度（30-45°）与烘干气流（风速 2-3m/s），生产效率提升 40%，适合 0.1-1.0mm 厚度基板的规模化制造。
梯度共烧工艺：采用分段升温（1000-1300℃保温 1h 促进界面反应，1300-1600℃快速致密化），共烧时间缩短 30%，机加工效率提升 50%。
（2）产业应用优势
成本优势：流延法材料利用率＞90%，较干压成型降低 20% 原料损耗
性能优势：与传统厚膜工艺相比，介电损耗降低 15%，热循环寿命（-55℃~125℃）提升 2 倍
七、发展趋势与展望
随着第三代半导体材料（SiC、GaN）的普及，氧化铝陶瓷基板正朝着 ** 超薄化（＜0.2mm）、高集成（层数＞20 层）、多功能化（散热 – 绝缘 – 屏蔽一体化）
** 方向发展。未来需重点突破：
纳米复合浆料制备技术（金属粉粒径＜50nm，提升导电率 10%）
数字孪生工艺模拟（预测烧结变形误差＜0.1%）
环保型水基浆料开发（VOC 排放降低 90%）
通过持续优化材料配方与工艺参数，氧化铝陶瓷金属化基板将在高端电子封装领域发挥更关键的作用，助力我国功率电子器件实现自主可控。
超声波喷涂技术用于半导体光刻胶涂层。与传统的旋涂和浸涂工艺相比，它具有均匀性高、微观结构良好的封装性和可控制的涂覆面积大小等优点。在过去的十年中，已经充分证明了采用超声喷涂技术的3D微结构表面光刻胶涂层，所制备的光刻胶涂层在微观结构包裹性和均匀性方面都明显高于传统的旋涂。
超声波喷涂系统可以精确控制流量，涂布速度和沉积量。低速喷涂成形将雾化喷涂定义为精确且可控制的模式，以在产生非常薄且均匀的涂层时避免过度喷涂。超声喷涂系统可以将厚度控制在亚微米到100微米以上，并且可以涂覆任何形状或尺寸。
关于驰飞
驰飞的解决方案是环保、高效和高度可靠的，可大幅减少过量喷涂，节省原材料，并提高均一性、转移效率、均匀性和减少排放。为企业提供围绕功能涂层的全套解决方案及长期技术支持，保证客户涂层稳定量产；针对特殊器械涂层需求，提供涂层定制研发服务；提供各类涂层代工服务。
杭州驰飞是超声镀膜系统开发商和制造商，产品主要应用于燃料电池质子交换膜喷涂、薄膜太阳能电池、钙钛矿、微电子、半导体、 纳米新材料、玻璃镀膜、 生物医疗、纺织品等领域。
