常见陶瓷基板类型与特性

一、为什么要关注陶瓷基板？

在功率器件、射频模组、LED 封装、汽车电子乃至航天级电路中，传统 FR-4 的导热系数（0.3~0.4 W/m·K）已无法满足散热与可靠性要求。陶瓷基板以 Al₂O₃、AlN、Si₃N₄ 等为核心材料，其导热系数可从 24 W/m·K 一路提升到 180 W/m·K 以上，同时兼具低热膨胀系数（CTE 4~8 ppm/℃）与高绝缘强度（>15 kV/mm），成为高功率密度、高频、高可靠性场景的首选。

二、常见陶瓷基板类型与特性

1. 氧化铝（Al₂O₃，96% 或 99.6%）

   • 性价比高，导热 24~30 W/m·K

   • 机械强度与化学稳定性好，适合 LED、功率模块

2. 氮化铝（AlN）

   • 导热 170~180 W/m·K，CTE 4.5 ppm/℃

   • 高绝缘、无毒，适合射频、激光、汽车功率器件

3. 氮化硅（Si₃N₄）

   • 导热 80~90 W/m·K，断裂韧性高（>6 MPa·m½）

   • 在冷热循环、振动冲击场景优势明显

4. 低温共烧陶瓷（LTCC）

   • 多层布线、内埋无源器件，适合毫米波、射频前端

5. 高温共烧陶瓷（HTCC）

   • 与钨/钼浆共烧，耐高温 >800 ℃，适用航空、石油勘探

三、陶瓷基板在 SMT 产线的关键工艺要点

1. 焊盘金属化
   DPC（直接镀铜）与 DBC（直接覆铜）是主流。DPC 通过磁控溅射 Ti/Cu 种子层再电镀加厚，线宽/间距可做到 50 µm；DBC 通过 1065 ℃ 共晶键合，铜厚 100~300 µm，承载电流大，但解析度低。

2. 锡膏选型
   陶瓷导热快，建议选用 Sn96.5/Ag3/Cu0.5 无铅高温锡膏，熔点 217 ℃；对 LED 共晶焊可改用 Au80/Sn20，熔点 280 ℃，空洞率 <3%。

3. 回流曲线
   因陶瓷热容量高，需延长预热区（150~180 ℃，90~120 s）；峰值温度可比 FR-4 高 5~10 ℃，但须控制 ΔT<5 ℃，防止局部热应力导致微裂。

4. 贴装压力
   陶瓷脆性大，贴片头 Z 轴压力应下调 20~30%，推荐 0.5~1 N；使用软质吸嘴或带缓冲机构的吸嘴。

5. 翘曲控制
   陶瓷基板厚度通常 0.25~1 mm，翘曲度 <0.3%；回流后若出现拱形，可在冷却区增加分段降温（180→150→120 ℃，每段 30 s）以释放应力。

6. AOI/AXI 检测
   陶瓷表面反光率高，需调整 AOI 光源角度（RGB 低角度 15°）并降低曝光值；X-Ray 检测空洞时，功率设定比 FR-4 低 10%，防止过度穿透。

四、可靠性验证与失效模式

1. 热冲击：-55 ℃↔150 ℃，1000 cycles，观察 Cu 层是否起泡、裂纹。

2. 功率循环：器件结温 ΔTj=100 ℃，>20 k cycles，监控焊点电阻变化 <20%。

3. 剪切力：芯片或铜箔推拉力 ≥50 N/mm²。

4. 失效模式：陶瓷断裂（过压/翘曲）、Cu 层剥离（金属化缺陷）、空洞（锡膏或回流参数不当）。

五、面向未来的设计趋势

• 异构集成：陶瓷+FR-4 混压板，用阶梯槽或嵌铜块解决局部散热。

• 厚铜/薄铜复合：外层 300 µm DBC 载流，内层 35 µm DPC 走信号，兼顾功率与高密度。

• 3D 陶瓷封装：通过激光活化金属化（LAM）在曲面陶瓷上布线，实现气密封装。

• 绿色制造：无氰电镀、无铅低银锡膏、氮气回流减少氧化渣。

结语
陶瓷基板并非“高端小众”，而是功率、射频、高可靠应用的“必需品”。SMT贴片加工厂只有深入理解材料机理、工艺窗口与失效模型，才能在大功率 LED、车规 SiC/GaN、毫米波雷达等赛道中抢占先机。1943科技将持续投入陶瓷基板制程研究，与合作伙伴共同打造更冷、更稳、更可靠的电子产品。