一文搞懂陶瓷 PCB 的核心制备工艺对比
- 2025-09-11 11:46:00
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陶瓷 PCB 的制备工艺是决定其性能、成本与量产能力的关键，目前主流工艺包括厚膜工艺、薄膜工艺、活性金属钎焊（AMB）工艺与直接键合铜（DBC）工艺。不同工艺的技术路线、性能指标与适用场景差异显著，选择合适的制备工艺需结合产品需求、性能要求与成本预算综合考量。
一、厚膜工艺：传统成熟的低成本工艺
厚膜工艺通过丝网印刷将金属浆料（如银浆、铜浆）涂覆在陶瓷基板表面，经高温烧结形成线路，是最早实现产业化的陶瓷 PCB 制备工艺。
（一）工艺流程
基板预处理：将陶瓷基板（如氧化铝）进行清洗、烘干，去除表面杂质与油污，确保浆料附着力；
浆料制备：将金属粉末（银粉、铜粉，粒径 1-5μm）与有机载体（树脂、溶剂）混合，制成粘度适中的厚膜浆料（粘度 10000-50000cP）；
丝网印刷：通过不锈钢丝网（目数 200-400 目）将浆料印刷在陶瓷基板表面，形成线路图案，线路厚度通常为 10-50μm；
干燥与烧结：印刷后的基板先在 100-150℃干燥 30-60 分钟，去除有机载体；再在 800-1000℃高温炉中烧结 1-2 小时，使金属粉末熔融结合，形成导电线路；
后处理：对烧结后的线路进行打磨、清洗，必要时进行电镀（如镀金），提升导电性与耐腐蚀性。
（二）工艺特性
优势：
工艺成熟，设备成本低（丝网印刷机约 10-20 万元 / 台），适合批量生产；
线路厚度可控（10-50μm），可制作宽线宽线路（≥100μm），承载电流能力强（≥5A/mm）；
与陶瓷基板结合力强（剥离强度≥5N/mm），可靠性高；
局限：
线路精度低，线宽线距≥100μm，无法制作精细线路；
金属浆料多为银浆，成本较高（银粉价格约 500 元 /kg），且银迁移风险较高（潮湿环境下易出现短路）；
烧结温度高，能耗大，且可能导致陶瓷基板变形。
（三）适用场景
中低功率、低精度需求的陶瓷 PCB，如 LED 照明模块、普通功率电阻、汽车电子低压传感器，目前在 LED 领域的市场占比约 60%。
二、薄膜工艺：高精度高频应用首选
薄膜工艺通过物理气相沉积（PVD）或化学气相沉积（CVD）在陶瓷基板表面形成超薄金属膜（厚度 0.1-5μm），再通过光刻、蚀刻制成精细线路，适合高频、高精度陶瓷 PCB。
（一）工艺流程
基板预处理：陶瓷基板经超声波清洗、等离子体活化，提升表面附着力；
金属沉积：
PVD 工艺：采用溅射或蒸发技术，在基板表面沉积金属层（如铜、金、钛），钛层（厚度 0.1-0.2μm）作为过渡层提升结合力，铜 / 金层（厚度 0.5-5μm）作为导电层；
CVD 工艺：通过化学反应（如铜的有机化合物分解）在基板表面形成金属膜，膜层均匀性更好（厚度偏差≤5%）；
光刻与蚀刻：在金属膜表面涂覆光刻胶，经曝光、显影形成图案，再通过化学蚀刻（如酸性蚀刻液）去除多余金属，形成精细线路；
后处理：进行退火处理（200-300℃，1 小时），提升线路与基板的结合力；必要时进行电镀加厚（如镀镍金），提升耐腐蚀性。
（二）工艺特性
优势：
线路精度高，线宽线距可达 5-10μm，适合高频信号传输（≥28GHz）；
金属膜均匀性好，表面粗糙度 Ra≤0.1μm，信号传输损耗低；
可制作多层线路，通过过孔实现层间互联，满足高密度需求；
局限：
设备成本高（溅射镀膜机约 200-500 万元 / 台），生产效率低（单批次处理时间≥2 小时）；
线路厚度薄（≤5μm），承载电流能力弱（≤1A/mm），不适合高功率场景；
光刻与蚀刻工艺复杂，良率较低（约 85%），成本高。
（三）适用场景
高频、高精度陶瓷 PCB，如 5G 基站射频模块、微波雷达、医疗影像设备，目前在高频通信领域的市场占比约 30%。
三、活性金属钎焊（AMB）工艺：高功率高可靠性首选
AMB 工艺通过在陶瓷基板与金属板（如铜箔）之间添加活性金属钎料（如 Ag-Cu-Ti 合金），经高温钎焊实现金属与陶瓷的牢固结合，是高功率陶瓷 PCB 的主流工艺。
（一）工艺流程
基板与金属板准备：陶瓷基板（通常为氮化铝、氮化硅）与铜箔（厚度 0.3-1mm）进行清洗、脱脂；
钎料涂覆：将活性金属钎料（粉末或箔片，厚度 20-50μm）均匀涂覆在陶瓷基板表面；
叠合与钎焊：将铜箔覆盖在涂有钎料的陶瓷基板上，放入真空钎焊炉（真空度≤1×10⁻⁴Pa），在 800-950℃下保温 30-60 分钟，钎料熔融后与陶瓷、铜箔发生化学反应，形成牢固结合；
线路制作：通过蚀刻工艺将铜箔制成所需线路，线路厚度与铜箔一致（0.3-1mm）；
后处理：进行表面处理（如镀镍、镀金），提升耐腐蚀性；必要时进行基板切割，形成最终产品。
（二）工艺特性
优势：
金属与陶瓷结合力极强（剥离强度≥25N/mm），抗热震性优异（-40℃至 150℃循环 1000 次无开裂）；
铜箔厚度大（0.3-1mm），承载电流能力强（≥10A/mm），导热性能优异（导热系数≥200W/(m・K)）；
可制作大面积陶瓷 PCB（最大尺寸≥500mm×500mm），适合高功率模块集成；
局限：
钎焊温度高，需真空环境，设备成本高（真空钎焊炉约 500-1000 万元 / 台）；
活性金属钎料成本高（Ag-Cu-Ti 合金约 2000 元 /kg），工艺周期长（单批次≥4 小时）；
线路精度较低（线宽线距≥200μm），无法制作精细线路。
（三）适用场景
高功率、高可靠性陶瓷 PCB，如新能源汽车 BMS、SiC 功率模块、工业变频器，目前在高功率半导体领域的市场占比约 70%。
四、直接键合铜（DBC）工艺：中高功率性价比选择
DBC 工艺通过高温氧化与热压，将铜箔直接键合在陶瓷基板表面，是 AMB 工艺的低成本替代方案。
（一）工艺流程
铜箔氧化：将铜箔（厚度 0.1-0.5mm）在 300-500℃空气中加热，表面形成一层薄氧化层（Cu₂O，厚度 1-2μm）；
叠合与热压：将氧化后的铜箔与陶瓷基板（主要为氧化铝、氮化铝）叠合，放入热压炉，在 900-1050℃、1-5MPa 压力下保温 30-60 分钟，铜箔氧化层与陶瓷发生反应，形成键合；
线路制作：通过蚀刻工艺将铜箔制成线路，线路厚度 0.1-0.5mm；
后处理：表面镀镍或镀金，提升耐腐蚀性；进行切割与清洗，完成产品制备。
（二）工艺特性
优势：
无需活性金属钎料，成本较 AMB 工艺降低 30%-50%；
铜箔与陶瓷结合力较强（剥离强度≥15N/mm），导热性能良好（导热系数≥150W/(m・K)）；
工艺相对简单，生产效率高于 AMB 工艺（单批次处理时间≤3 小时）；
局限：
键合温度高，易导致陶瓷基板变形（变形量≥0.1mm/m）；
仅适用于氧化铝、氮化铝陶瓷，与氮化硅陶瓷的结合效果较差；
3. 抗热震性低于 AMB 工艺（-40℃至 150℃循环 500 次后易出现微裂纹），不适合极端温度波动场景。
（三）适用场景
中高功率、成本敏感型陶瓷 PCB，如家用空调功率模块、工业电源、中功率 LED 路灯，目前在中功率领域的市场占比约 50%。
五、工艺选择决策逻辑
陶瓷 PCB 制备工艺的选择需综合考量以下因素：
功率需求：高功率（≥100W）设备优先选择 AMB 工艺；中功率（10-100W）选择 DBC 工艺；低功率（≤10W）选择厚膜工艺；
精度与频率需求：高频（≥28GHz）、高精度（线宽≤50μm）需求选择薄膜工艺；中低频（≤10GHz）、低精度（线宽≥100μm）选择厚膜、AMB 或 DBC 工艺；
环境适应性：极端温度、振动场景选择 AMB 工艺（氮化硅基板）；普通环境选择 DBC 或厚膜工艺；
成本预算：低成本需求优先选择厚膜工艺；中成本选择 DBC 工艺；高成本、高可靠性需求选择 AMB 或薄膜工艺。
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