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)品的關鍵部件，在醫(yī)療、航空、新能源、汽車等行業(yè)有著廣泛應用。縱觀發(fā)展簡史，每一次技術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體, 然后將石蠟紙粘在線路導體的頂部和底部, 并在線路交叉處設置過孔，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。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體. 專業(yè)術語“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，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?，不過該技術也得到了飛速的進步和發(fā)展。
Paul Eisler的技術發(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, 該技術廣泛應用于軍用無線電。從此PCB板開始走上飛速發(fā)展與進步的道路。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?量使?于軍?收?機內；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形成線圈、電容器、電阻器等制造技術；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?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；當今世界隨著集成電路技術的誕生，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)定性和導熱性能脫穎而出，是符合當下高功率器件設備所需的性能要求。
目前常用的高導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、導熱性好，以及與Si、SiC和GaAs等半導體材料相匹配的熱膨脹系數(shù)，得到了廣泛推廣應用。幾種粉體的熱導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。
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；（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)；流延成型技術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、燒結形成陶瓷基片，主要應用于電子基板、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：
流延漿料是流延成型的重要組成部分，根據(jù)溶劑性質的不同，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晶形貌都對流延工藝以及流延膜的質量有較大影響， 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構，增加流延膜的強度。粘結劑和增塑劑共同作用可以提高生坯片的強 度，并改善韌性與延展性，便于生坯片與載體膜的脫離以及后續(xù)加工；（3）粉體顆粒在漿料中的分散性和均勻性與流延膜的 品質息息相關。解決粉體團聚的主要方式有物理分散與化學分散，而在漿料中加入分散劑是流延技術中最常用的手段；（4）除上述成分外，流延漿料還會加入一些功能性添加 劑來改善流延膜制備過程產(chǎn)生的缺陷，如消泡劑、潤滑 劑、均質劑、絮凝劑、控流劑等；燒結是利用熱能使粉末坯體致密化的技術，其具體的定義是指多孔狀態(tài)的坯體在高溫條件下，表面積減小，孔隙率降低，力學性能（機械強度等）提高的致密化過程。坯體在燒結過程中要發(fā)生一系列的物理化變化，如膨脹，收縮，氣體的產(chǎn)生，液相的出現(xiàn)，舊晶相的消失，新晶相的形成等。在不同的溫度，氣氛條件下，所發(fā)生變化的內容與程度也不相同，從而形成不同的晶相組成和顯微結構，決定了陶瓷制品不同的質量和性能。
燒結可分為有液相參加的燒結和純固相燒結兩類。燒結過程對陶瓷生產(chǎn)具有很重要的意義。為降低燒結溫度，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。陶瓷燒結是陶瓷加工中的一種重要工藝，其過程分為三個階段：預燒階段、燒結階段和冷卻階段。預燒階段：在這個階段，陶瓷制品會被放入爐子中進行預燒處理，用來去除陶瓷中的水分和有機物質。高溫下，水分和有機物質會被分解并釋放出來，讓制品干燥且有機物質燃燒殆盡。這一階段的主要目的是為了減少燒結時產(chǎn)生的氣泡等缺陷。燒結階段：在預燒之后，制品會被加熱到高溫下進行燒結。這個階段是陶瓷工藝中最關鍵的一步，也是最困難的一步。在高溫下，陶瓷顆粒會開始熔化和結合在一起，形成一個堅固的陶瓷結構。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合，而不會出現(xiàn)燒結不完全或者表面開裂等缺陷。冷卻階段：在燒結完成后，制品需要進行冷卻，使得陶瓷結構能夠逐漸穩(wěn)定下來。如果制品過早地被取出爐子，容易導致熱應力而產(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。高導熱性非金屬固體通常具備以下４個條件：構成的原子要輕、原子間的結合力要強、晶格結構要單純、晶格振動的對稱性要高。陶瓷材料的導熱性的影響因素：（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，熱導率越高，而晶格中的氧往往伴隨著空位、位錯等結構缺陷，顯著地降低了聲子的平均自由程，導致熱導率降低；（2）在燒結過程，添加的燒結助劑中可以與陶瓷粉體表面的原生氧化物發(fā)生反應，形成低熔點的共晶熔液，利用液相燒結機理實現(xiàn)致密化。然而，燒結助劑所形成的晶界相自身的熱導率較低，對陶瓷熱導率具有不利影響，特別地，如氮化硅陶瓷常用的Al2O3燒結助劑，在高溫下會與氮化硅和其表面氧化物形成SiAlON固溶體，造成晶界附近的晶格發(fā)生畸變，對聲子傳熱產(chǎn)生阻礙，從而大幅度降低氮化硅陶瓷的熱導率。因此選用適合的燒結助劑，制定合理的配方體系是提升氮化硅熱導率的關鍵途徑。目前導熱的陶瓷基板可分為HTCC（高溫共燒多層陶瓷）、LTCC（低溫共燒陶瓷）、DBC（直接鍵合銅陶瓷基板） 和DPC（直接鍍銅陶瓷基板）、活性金屬纖焊陶瓷基板（AMB）等幾種形式，其特點如下。
對于大功率器件而言，基板除具備基本的機械支撐與電互連功能外，還要求具有高的導熱性能。因為HTCC/LTCC的熱導率較低，因此在高功率的器件以及IGBT模組的使用場景中散熱基板目前主要以DBC、DPC、AMB三種金屬化技術為主。
DPC技術是先其制作首先將陶瓷基片進行前處理清洗，利用真空濺射方式在基片表面沉積 Ti/Cu 層作為種子層，接著以光刻、顯影、刻蝕工藝完成線路制作，最后再以電鍍/化學鍍方式增加線路厚度，待光刻膠去除后完成基板制作。
DPC 技術具有如下優(yōu)點：(1) 低溫工藝（300 ℃以下），完全避免了高溫對材料或線路結構的不利影響，也降低了制造工藝成本；(2) 采用薄膜與光刻顯影技術，使基板上的金屬線路更加精細（線寬尺寸 20~30 m，表面平整度低于 0.3 m，線路對準精度誤差小于±1%），因此 DPC 基板非常適合對準精度要求較高的電子器件封裝。 DBC是陶瓷基片與銅箔在高溫下（1065℃）共晶燒結而成，最后根據(jù)布線要求，以刻蝕方式形成線路。由于銅箔具有良好的導電、導熱能力，而氧化鋁能有效控制 Cu-Al2O3- Cu 復合體的膨脹，使 DBC 基板具有近似氧化鋁的熱膨脹系數(shù)。
DBC 具有導熱性好、 絕緣性強、可靠性高等優(yōu)點，已廣泛應用于 IGBT、LD 和 CPV 封裝。DBC 缺點在于， 其利用了高溫下 Cu 與 Al2O3間的共晶反應，對設備和工藝控制要求較高，基板成本較高；由于 Al2O3 與 Cu 層間容易產(chǎn)生微氣孔，降低了產(chǎn)品抗熱沖擊性；由于銅箔在 高溫下容易翹曲變形。
AMB 技術是指，在 800℃左右的高溫下，含有活性元素 Ti、Zr 的 AgCu 焊料在陶瓷和金屬的界面潤濕并反應，從而實現(xiàn)陶瓷與金屬異質鍵合的一種工藝技術。AMB陶瓷基板，首先通過絲網(wǎng)印刷法在陶瓷板材的表面涂覆上活性金屬焊料，再與無氧銅層裝夾，在真空釬焊爐中進行高溫焊接，然后刻蝕出圖形制作電路，最后再對表面圖形進行化學鍍。
AMB工藝是金屬釬料實現(xiàn)氮化鋁與無氧銅的高溫結合，以結合強度高、冷熱循環(huán)可靠性好等優(yōu)點，不僅具有更高的熱導率、更好的銅層結合力，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、舒焊層組織結構等諸多關鍵因素，工藝難度大，而且還要兼顧成本方面的考慮。陶瓷粉體制成陶瓷基板，再通過金屬化工藝進行線路的刻蝕，工藝流程繁多且復雜，涉及相關設備眾多，例如球磨機、真空脫泡機、流延機、等靜壓機、切片機、絲網(wǎng)印刷、激光打孔、排膠燒結爐、鍍膜設備、刻蝕機、電鍍機，以及檢測所需的測厚儀、粘度計、紅外光譜儀、導熱系數(shù)測量儀等等相關設備。
