陶瓷基板 AMB 覆铜技术专利现状

摘要：对于电子封装而言，封装基板起着承上启下，连接内外散热通道的关键作用，同时兼有电互联和机械支撑等功能。对于陶瓷基片而言，其本身不导电，因而需要将其覆铜以满足电气互联要求。覆铜工艺中，AMB（活性金属焊接陶瓷基板）工艺为利用含少量活性元素的活性金属焊料实现铜箔与陶瓷基片间的焊接。相较于DPC（直接电镀陶瓷基板）、DBC（直接键合陶瓷基板），AMB工艺研究呈现较大增长趋势，是各国的研究热点。AMB陶瓷基板靠陶瓷与活性金属焊料在高温下进行化学反应来实现结合，相比于DPC、DBC覆铜陶瓷基板呈现更高的结合强度、耐冷热循环，体现出更高的可靠性，极适用于连接器或对电流承载大、散热要求高的场景。本文以AMB覆铜工艺相关专利申请作为研究对象，重点分析相关专利申请趋势、重点申请人技术发展路线、焊料发展，以期对国内AMB覆铜基板的研发提出一些指导方向。

01

陶瓷基板AMB覆铜专利技术概述

专利申请趋势

AMB工艺的相关专利申请趋势可以分为萌芽期、第一发展期及第二发展期三个阶段，如图1所示。第一阶段的萌芽期，从1970年到1980年，这一时期全球在该领域的申请量很少。第二阶段的第一发展期，1981年至2004年。在第一发展阶段，AMB工艺的全球申请大幅增加，1991年相关专利申请达到了第一个顶峰。这一时期，氮化铝、氮化硅、碳化硅陶瓷基板的大量开发推动了与这些基板更适配的AMB覆铜工艺快速发展。在经历了2003年和2004年两年的专利申请量小幅度下降后，AMB工艺进入第三阶段的第二发展期，从2005年至今。这一时期，电动汽车、电力机车以及半导体照明、航空航天、卫星通信的高速发展阶段对半导体芯片的载体提出了更高的要求，促进了性能更优的AMB工艺再次进入高速发展期。2020年，申请量达到了第二个顶峰，申请量达59项。

图1.陶瓷基板AMB覆铜工艺全球申请趋势

重点申请人技术路线

为了借鉴国内外优秀企业的技术经验，增强我国创新主体的创新能力，下面挑选代表性企业东芝（日本）、罗杰斯（美国）、富乐华（日资中企），对其技术路线进行分析。

(1)东芝

基于对我国研发、产业布局借鉴的考量，主要对东芝2003年至今的专利申请进行技术路线分析，图2显示了东芝的技术路线图。

图2.东芝AMB工艺技术发展路线图

在焊料方面，主要是在Ag-Cu-Ti基础上添加Sn、In降低熔点，添加碳调节焊料流动性和接合层硬度、热膨胀系数，添加第Ⅷ族过渡金属如Co、Pd等，抑制了妨碍润湿性（接合性）的反应生成物的过剩生成，添加Ti的化合物如氢化物、氧化物、氮化物等调节焊料性能，不加银使得接合层生成多种配比的Cu-Sn合金及Cu-In合金缓解热应力。

在基板方面，2010年提出在氮化铝晶粒的晶界处包含小尺寸稀土元素和铝的复合氧化物晶粒并限定晶粒尺寸，获得导热系数为160~190W(m·K)的氮化铝基板，即使不进行研磨，也能够获得超过500MPa的抗弯强度并提供具有优异的接合强度(24kN/m)的电路基板。2012年提出在氧化铝中加入低于0.5wt%的钠、硅、铁的无机氧化物作为烧结助剂，使烧结性提高、烧结时间缩短从而大幅度降低成本，另外还能提高接合强度。

在铜板方面，提出了限定铜板表面和内部晶粒尺寸以及铜板、陶瓷板的厚度比，通过控制铜板表面晶粒尺寸获得了良好的润湿性、结合强度、耐冷热循环性能(TCT)、对位精度和可靠性，通过控制内部晶粒尺寸能够使铜电路更精细化、TCT、结合强度、弯曲强度提高。

在结构方面，其对接合层端部结构进行了深入研究，在2010年提出控制接合层突出部和非突出部中相分布差异实现减少热膨胀差、缓和应力、减少结合缺陷、提高TCT的目标；随后提出进一步控制接合层突出部露出量、攀上量和金属板界面内角提升对位精度，缓和应力，提高TCT；还对接合层颗粒、Ti元素分布进行控制，改善润湿、提高结合强度。其他方面，其通过使金属被膜覆盖金属板的侧面和接合突出部提高散热、TCT性能；通过控制表、背面金属层厚度关系抑制基板翘曲。在工艺方面，其采用连续炉控制升温、冷却速度和气氛，提高了产能和结合质量。

(2)罗杰斯

罗杰斯是全球高频覆铜板龙头供应商，图3显示了罗杰斯的技术路线图。对于陶瓷基片结合面的结构是罗杰斯最早专注的改进对象。2005年德国库拉米克专利申请DE4A1提出通过在陶瓷基板和金属层中间设置氧化物陶瓷中间层，所述中间层具有小于300GPa的弹性模量，从而能够平衡氮化硅陶瓷和金属化层的热膨胀系数差异，可使金属化厚度是氮化硅陶瓷基层厚度的3倍，具有优异的结合强度。2011年罗杰斯收购库拉米克，该专利转让给罗杰斯。

图3.罗杰斯公司AMB工艺的专利技术路线图

2014年开始金属层结构优化，提出通过在金属层上表面设置凹部缓解热应力，2019年，又提出控制陶瓷层和金属化层厚度比从而调整二者间热膨胀系数差异和在金属层上设置凹部协同在与基片结合面上的棱边处覆盖填充材料实现热应力缓解和薄弱部位加固，从而提高耐温度变化性能。2020年，开始焊料层结构优化，通过将焊接体系分离实现尽可能薄的焊接层，甚至能够轧制焊接层厚至小于7μm，该方法可以减少焊接层材料节约成本并简化后续刻蚀工艺，加速金属层的结合过程。

此外在工艺方面，罗杰斯采用AMB工艺替代DBC工艺进行上表面金属层键合从而简化后续刻蚀减薄、通过在铜板上设置凹部使之与陶瓷基片选择性结合，然后在未结合部位断裂基片从而高效地实现具有侧向凸出于陶瓷层的金属层的基板、通过借助于热等静压将金属子层连结到陶瓷元件上构成金属陶瓷基板，将金属成功地、尽可能无气孔地、节省能量且工艺安全地连结到陶瓷上，即从结合工艺优化、制备流程优化到加压容器优化方面实现工艺过程的改进。

对于焊料，其在2016年提出通过轧制将活性金属焊料包覆在金属层上，将焊剂层的厚度减小到小于12μm，尤其减小到小于7μm，极大提高了复合材料承受机械负荷以及热负荷的能力并且成本便宜，此外该方法能够整面地覆盖焊剂带。2018年，提出无银焊料，实现降低成本并且避免银迁移。

对于基板，在2013年提出了通过优化氧化铝基板组成和晶粒尺寸改进热导率，陶瓷层具有大于25W/mK的热导率，因此可根据应用情况将金属化层的层厚度减小至0.05mm；并通过增加二氧化锆的四角形晶体结构和从陶瓷中析出玻璃相带来热导性的改进。对于铜板，2018年其提出将两层具有不同晶粒尺寸的铜层层叠起来作为铜层可以有效减少热应力，提高覆铜基板的耐冷热循环性能。

(3)富乐华

富乐华半导体由上海申和投资有限公司控股（上海申和投资有限公司是日本磁性流体技术控股有限公司Ferrotec的全资子公司），专业从事半导体功率模块覆铜陶瓷基板(AMB、DCB和DPC)研发、制造、销售，图4显示了富乐华公司AMB工艺的专利技术路线图。其早期专利CN109360791A(2018)是通过转让获得的其控股公司在华相关有效专利。通过使用精雕机在铜片的图案周边雕刻出凹槽；然后在铜片上需要键合的区域涂装钎焊材料；结合后使用雕刻机刻穿所述铜片上开设有凹槽处，实现开设有凹槽处的铜片上下贯穿；剥离表面铜片上未钎焊处的铜材。采用精雕工艺替代刻蚀工艺，无需刻蚀就可得到产品图形。简化生产流程，缩短生产时间；同时去除刻蚀工序后，减少了对环境的污染。然而上述方案还存在焊膏不易获得均匀焊缝，含银焊料影响刻蚀线路精度、银迁移导致可靠性下降等问题，基于此，其在2020年提出了在氮化硅基板表面贴装不含银的预成型焊片替代焊膏的技术方案，有效提高了焊接层的均匀性，降低铜瓷界面之间的残余应力，从而提高铜瓷界面的结合力，同时减少环境污染的风险。获得的结合强度达9~18N/mm，耐冷热循环性能大于6000次(-55~150℃)。进一步的，为了优化覆铜陶瓷基板在高压或者局部高压条件下引起的绝缘可靠性问题，2022年富乐华提出了在陶瓷基板表面制备铝金属化层并通过阳极氧化获得氧化层，然后再进行后续AMB工艺的方法，获得了Cu-Al阳极氧化层-陶瓷-Al阳极氧化层的结构，在传统的覆铜陶瓷基板基础上引入高强度键合的绝缘铝阳极氧化层，提高了产品的高压绝缘可靠性。

图4.富乐华公司AMB工艺的专利技术路线图

(4)焊料

AMB焊料中Ag-Cu-Ti基为主流，其中Ti，Zr，Hf，V，Nb和Ta形成与陶瓷基板的良好润湿、反应性，提供结合强度的基础，在此基础上，根据TCT(耐冷热循环)、可靠性需要逐渐发展出其他改性组分，如降低热膨胀系数、提升硬度、流动性(碳粉、陶瓷粉)，降低结合温度(In，Zn，Cd和Sn)，降低应力集中(TiO、TiO2等均匀分散微粒)，添加高熔点组分(Mo、Os、Re、W、陶瓷、氮化铝、氧化铝、氮化硅)，添加高活性组分(如TiH2等)，添加抗氧化剂(Cr、Al、Si、Ni)，提高结合强度(Ce或其复合稀土化合物、Zn、Be、Li)，降低残余应力(硼酸铅玻璃或硼酸铅锌玻璃)等改性组分，不同种类组分可单独添加，也可多种同时选用以期优势互补，获得优异综合性能；对于焊料使用形态，可使用相应组成的膏、浆、箔、丝；或分层先通过涂覆、镀覆(CDV/PVD/磁控溅射/离子镀等)方式在基板表面预涂一层活性金属，然后再涂覆基础焊料，实现活性金属的均匀涂覆、减少用量、降低成本；或利用Ag-Cu合金粉末(或银包铜粉)+活性金属粉末+其他功能组分的形式；或利用Ag-Cu-活性金属三元合金粉末+其他功能组分的形式；还可对微粉进行有机物包覆实现均匀分散、稳定。此外，随着性能发展达到一定高点开始寻求低成本焊料，发展出降低稀有金属含量，Cu-7P-15Sn-10Ni(熔点580℃)，Sn-Cu(230℃)和Sn-0.7Cu-P-0.03Ni(220℃)基无银钎料，并在此基础上进行多类型粉末混合、粒径分布设计和焊料多层结构设计，同时实现较好结合强度、耐热循环性能。

03

结语

从国内外申请人专利申请量排名看，日本在陶瓷基板AMB覆铜工艺研究方面实力强劲，且体现了高度的技术集中，具有多家头部企业。国内起步较晚，目前呈现出小而散的局势，但处于快速的追赶阶段，在市场和政策的多重驱动下，通过专利转让、收购、产学研结合呈现出快速发展的劲头，进一步加大投入增强创新势在必行。

AMB覆铜陶瓷基板的核心问题是结合强度和耐冷热循环性能，焊料成分、配比、接合温度、时间、预处理工艺、结构设计等影响界面润湿(空洞)、反应(脆性金属间化合物、反应层结构)和残余应力(端面形状、元素分布、热膨胀系数匹配)，进而决定最终界面结合强度、耐热循环(TCT)、导热/散热性能等。整体上看，国外专利尤其是日本专利技术细节介绍比较详细。国内在核心的焊料、工艺参数方面研究较为薄弱，未来还需要进一步围绕焊料等关键技术进行突破。

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