摘要: 在三维(3D)集成电路中,层间电路封装及其互联互通主要依赖于垂直通孔结构,这是其突破传统二维集成电路布局的核心与关键。近年来,玻璃通孔(TGV)技术由于具备低成本、高性能、易于加工和应用前景广阔等优点,日益引起了科研人员和电子厂商们的关注与重视。首先综述了TGV技术的性能优势、工艺特点、制备方法及关键技术。在此基础上,总结了TGV技术在三维集成无源器件(IPD)、集成天线封装、微机电系统(MEMS)封装以及多芯片模块封装等多个三维集成电子封装领域中的应用进展。基于此,进一步展望了TGV技术在未来三维集成电子封装中的发展方向与应用前景。 摩尔定律认为芯片的集成度约每隔18个月翻一倍,其性能也会随之提升一倍[1-3]。然而,当半导体制程技术逐渐逼近硅工艺尺寸极限时,摩尔定律发展陷入瓶颈,经济效益急剧降低,行业由此正式进入了“后摩尔时代”[4-6]。在后摩尔时代,制程采用更为先进的三维封装集成技术,利用垂直通孔结构将多个芯片进行纵向堆叠(图1),使芯片集成度成倍提高、电气互联距离和封装尺寸大幅度缩减,同时集成电路的功能多样化也得到提升[7-8]。 在三维集成电路中,垂直通孔结构是实现芯片或器件之间电气垂直互联的关键通道。目前硅通孔(ThroughSiliconVia,TSV)和玻璃通孔(ThroughGlassVia,TGV)是常用的两种通孔互联方式。TSV结构如图2(a)所示,它使芯片在三维方向上获得了最大的堆叠密度、最短的电气互联距离、最小的外形尺寸,能够显著提高芯片运行速度,降低功耗[9-11]。然而,TSV的制造过程涉及复杂的硅刻蚀技术,并需额外沉积绝缘层,导致其成本居高不下。此外,由于硅本身是半导体材料,电信号在传输过程中会与硅衬底产生较强的电磁耦合效应,将会影响信号完整度(插损、串扰等)。 TGV技术堪称TSV技术最具前景的替代方案。该技术通过在玻璃晶圆上加工出精密的微米级通孔或盲孔,随后在这些孔洞中填充导电材料,从而建立起芯片间或晶圆间的垂直电气连接,如图2(b)[12-13]。TGV的优势主要体现在:(1)玻璃材料作为绝缘体,其相对介电常数大约为3.8,远低于硅材料的11.7。此外,玻璃的损耗因子(0.0002@100MHz和0.00006@3GHz)显著低于硅材料(0.005@1GHz和0.015@10GHz),两者相差2到3个数量级。因此,玻璃基板的衬底损耗和寄生效应极小,有助于保持信号传输的完整性和可靠性。(2)玻璃材料能够以大尺寸(超过2m×2m)和极薄厚度(小于50μm)的形式获取,并且由于玻璃的绝缘性良好,省去了在衬底表面及通孔内壁沉积绝缘层的步骤,不仅减少了TGV制作工艺的复杂性,还大幅降低了制作成本。(3)TGV技术的应用范围非常广泛,它在射频芯片、高端微电子机械系统(MEMS)传感器、高密度系统集成等领域均显示出独特的优势。特别是对于下一代5G、6G等高频通信技术的芯片3D封装,TGV技术已成为首选方案之一[14-16]。 TGV技术凭借其独特优势,近年来已吸引了包括英特尔、三星、英伟达、苹果和台积电等芯片大厂的广泛关注。从英特尔率先推出的玻璃封装,到目前各大厂商纷纷布局的TGV技术,采用玻璃基板替代传统的有机基板已成为行业内的共识。然而,尽管TGV技术展现出巨大的市场潜力和技术前景,但其在三维封装领域仍属于新兴技术,整体商业化进程尚处在初级阶段,市场渗透率较低[17-19]。此外,TGV技术在工艺制程方面也面临着多重挑战。其中,最为严峻的挑战在于TGV的成孔和填孔工艺。在玻璃上打孔并填充导电材料是一个复杂且精细的过程,需要精确的激光打孔和化学蚀刻。同时,确保玻璃孔的均匀性和精确性对于保障信号传输的质量和可靠性至关重要[20-21]。 为了揭示TGV技术的工艺特性、所面临的挑战、应用潜力及发展前景,本文不仅系统梳理了TGV技术的工艺特点、制备方法及关键技术,还深入分析了该技术的当前发展状态和未来可能的发展趋势,旨在为电子封装领域的产业发展提供重要的决策参考。同时,本文还对TGV技术在不同应用领域的发展前景进行了展望,以期为电子封装领域的从业者和研发人员提供新的方向、思路和灵感,共同推动新一代电子封装产业与技术的快速创新和蓬勃发展。 1TGV工艺及通孔方法 TGV成孔技术是通孔互联技术中的关键环节,需要满足高精度、低成本、快速无损、且高成孔质量(通孔尺寸小、通孔间间距窄、侧壁光滑、垂直度好)等要求。目前,TGV成孔方法主要有以下几种:喷砂法[22-23]、激光烧蚀法[24-26]、聚焦放电法[27]、电化学放电法[28-30]、等离子体刻蚀法[31-32]、光敏玻璃法[33-35]和激光诱导刻蚀法[36-41]。各方面优缺点如表1所示。其中,喷砂法和电化学放电法的通孔孔径和孔间距较大;激光烧蚀法和聚焦放电法制备的通孔存在锥度且批量成孔效率低;光敏玻璃法适用范围有限,工艺复杂且成本高;等离子体刻蚀同样工艺复杂且刻蚀效率较低。 激光诱导刻蚀法是一种基于激光技术和化学刻蚀发展起来的新型玻璃通孔技术。该方法制备TGV通孔分为两步(如图3所示):一是激光改性,即先使用激光在玻璃中形成改性区域;二是蚀刻通孔,即采用化学腐蚀剂如氢氟酸对改性区域进行选择性刻蚀,从而形成玻璃通孔。该方法既克服了激光烧蚀刻蚀速度慢、存在裂纹的缺点,也解决了化学刻蚀方法难以定性刻蚀的问题。该方法具有玻璃通孔质量高(高深宽比、高密度、均匀一致且无裂纹)、玻璃通孔形貌可调(通过调节激光参数来控制TGV的垂直度和形貌)、成孔速率快(可达到290TGV/s)等优点,目前已经成为制备玻璃通孔的主流方法。 在激光诱导刻蚀法制备TGV方面,江西沃格光电股份有限公司具有显著优势[36-37],目前制备的TGV最小孔径可至10μm,深宽比可达10∶1,并且孔壁光滑规整。此外,成都迈科科技有限公司也采用激光诱导刻蚀法制备TGV,制备出的玻璃通孔具有孔径小(≤50μm的圆孔)、通孔密度高(2500个/cm2)、锥度小、通孔内壁光滑且成孔效率高等特点[38]。 TGV孔填充技术是TGV垂直互联的核心环节,通过在孔径中填充高质量金属材料实现上下表面的电信号传输。然而,由于玻璃表面平滑,与常用的填充金属材料(如铜)的黏附性较差,容易导致金属与玻璃衬底之间产生分层甚至脱落等问题。为了增强填充金属材料与玻璃基底间的结合力,通常采用两步法进行通孔的金属化填充:首先,在玻璃通孔内进行种子层沉积,种子层可以起到提供导电性、增加填充效率和改善结合力的作用,为后续的TGV填充过程做准备;然后,采用电镀的方法对经过金属化处理后的通孔进行增厚,来实现金属材料的充分填充,从而与玻璃基底牢固结合。 种子层的沉积可以通过物理气相沉积(PhysicalVaporDeposition,PVD)[42-43]、化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition,CVD)[44]、原子层沉积(AtomicLayerDeposition,ALD)[45]或化学镀[46-48]等方法来实现,各方法的优缺点如表2所示。其中,CVD方法设备成熟,制备的薄膜均匀性好,台阶覆盖好。ALD方法同样存在薄膜厚度可控、台阶覆盖良好的优点。但这两种方法也存在明显缺点:如CVD方法一般工艺温度较高;ALD方法技术相对不成熟;且CVD和ALD方法均不适合进行大规模生产。相比之下,PVD和化学镀的方法设备成熟、操作简单,更适合大面积规模化生产,因此被广泛用于TGV金属化填充过程中的种子层沉积。 电镀过程中,电流和化学助剂等参数会产生影响,可能导致通孔内部出现填充不完整的现象,甚至出现金属呈V形、通孔中心大部分未被填充的情况。研究表明,利用脉冲电镀代替直流电镀,可以显著提高电镀填充的速率,并减少填充缺陷(如孔洞或缝隙)的产生[49]。另外,采用超声波搅拌辅助的通孔电镀工艺也被用于解决金属填充过程中通孔内存在孔隙或填充不满的问题[50]。同样,以双阳极取代单阳极板的通孔电镀工艺也可解决金属填充过程中通孔填充不满的问题[42]。此外,采用适宜的电镀铜溶液及电镀方法,可以使铜在通孔内部中间部位预先相连填满,再向两面孔口逐渐同步填充,最终形成高效密封导通的铜材料,实现通孔无孔隙的金属化制作[51]。 2三维电子封装中TGV技术的器件应用进展 TGV基板因具有优异的电学特性、化学稳定性和机械稳定性等优势,在多个电子封装领域得到了广泛的关注。下面主要从TGV及相关技术在三维集成无源器件(IntegratedPassiveDevice,IPD)、集成天线封装、微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystem,MEMS)封装以及多芯片模块封装等领域的应用方面进行概述。 2.1三维集成无源器件 TGV技术可以用于制造三维集成无源器件的封装载板。通过使用TGV技术,可以实现芯片之间的互联和互通,提高芯片的集成度和性能。同时,TGV技术还可以实现芯片之间的最小间距和最小线宽,满足无源器件对高密度集成和精细制造的需求。2010年,乔治亚理工的Sridharan等率先采用TGV互联技术制备了具有高Q值的三维螺旋电感,应用在IPD中完成滤波器的封装制作,并表现出优异的电学性能:5GHz滤波器的插入损耗小于1dB,回波损耗优于20dB[52]。日月光集团(ASEgroup)的研究人员也将TGV广泛用于三维集成无源器件。2016年,Hsieh等采用TGV玻璃制备了高性能IPD电感器,制备流程如图4(a)所示。该三维TGV电感器在900MHz时的Q值为60,在2.4GHz时的Q值为75,大大优于二维螺旋电感器,有助于提高射频有限元在无线通信系统中的性能[53];2017年,Chen等基于TGV技术在玻璃基板上实现了面板级(408mm×512mm的长方形玻璃)的IPD制作工艺。如图4(b)所示,该工艺可将面板翘曲控制在1mm以内,且未出现明显的结构剥离/分层现象,显著降低了IPD的制作成本[54]。厦门云天半导体也成功将TGV技术应用于IPD领域:2023年,宗蕾等发明了一种集成射频前端模组的封装结构及封装方法。其中,封装方法同时集成了TGV玻璃和硅片的优势,即采用含TGV通孔的玻璃和硅片晶圆键合后形成承载晶圆。这种方法不仅可以有效减少晶圆级封装过程中的翘曲问题,提高封装良率,还可以通过硅片增强整体模块的散热性能。另外,通过多层重布线工艺,即钝化层和金属线路层多层叠加的方式,实现了多颗芯片的信号互联并可高度集成薄膜IPD器件,可用于替代射频前端模块板级封装中所使用的基板[55]。 2.2集成天线 玻璃转接板集成定向TGV天线通过在3D堆叠芯片之间实现高效的芯片内/芯片间无线通信,减少了引线键合导致的时间延迟,在三维系统级封装(SiP)下可实现低功耗、低时延的高速无线通信。2018年,美国佛罗里达大学的Hwangbo等在玻璃基板上通过成孔、溅射镀膜和光刻等工艺,设计了一种紧凑、高效的盘式单极TGV集成天线,并将其用于三维系统级封装,实现了低延时的毫米波无线信号在芯片到芯片(C2C)间的高速传输。如图5(a)所示,其特点是在玻璃基板表面的单极顶端设计圆盘形金属板进行阻抗匹配,增大天线的电流和辐射电阻,使天线辐射出更大的功率。另外,圆盘形金属板所构成的盘式单极天线减小了单极子天线在垂直方向的高度,从而可以匹配很薄的TGV玻璃,同时保持主单极子天线的全向辐射以及良好的天线增益与衬底损耗。模拟结果表明:天线在62GHz时的辐射效率达到94%,峰值增益为3.2dBi[56]。2019年,韩国首尔中央大学的Naqvi等采用新型硅填充玻璃通孔(ThroughGlassSiliconVia,TGSV)技术在玻璃基板上设计了一种具有端射辐射的V波段平面微机械螺旋天线,如图5(b)。为了达到沿螺旋轴的最大辐射,螺旋设置为3.25转。玻璃基板的背面是U形金属接地层,有助于增加在端射方向的增益。在金属接地层中间引入凹槽以实现V波段的宽带阻抗匹配。上下螺旋臂之间依靠TGSV实现电气互联。TGSVs的直径与螺旋臂的宽度一致。玻璃通孔侧壁溅射生长钨,并将硅柱包覆在内。模拟和测量结果表明:平面微机械螺旋天线的阻抗带宽为50.3~65GHz(<-10dB);天线在58GHz频段的峰值增益为6.3dBi,辐射效率为63%[57]。 2.3微机电系统封装 TGV技术在MEMS封装中也有广泛的应用。2012年,中国科学院微电子研究所的Sun等开发了一种低成本的TGV制备方法,并将其应用于射频微机电系统。首先,采用CO2激光和绿色皮秒激光对玻璃进行打孔,孔径约为100μm。然后,将聚合物(光刻胶、SU8、环氧树脂)填充TGV通孔,再将50μm的钨针插入孔中。最后,将样品加热并放入真空罐中,等待聚合物固化。在此结构中,射频输入、射频输出和偏置线均通过钨孔,可以缩短射频互联的长度,提高响应速度[58]。2013年,韩国檀国大学的Lee等采用电镀的方法实现了TGV的完全填充,并成功将其用于晶圆级射频MEMS封装(图6)。封装后的射频MEMS结构呈现出优异的电学性能:在40GHz频段内具有稳定可靠的射频性能;在20GHz时,表现出低的插入损耗(0.197dB)和高的返回损耗(20.032dB)[59]。 2022年,北京智能芯片微电子技术有限公司的Fu等提出了一种采用TGV工艺制造高性能MEMS加速计的方法,既能降低制造成本,又能保证器件的低噪声特性。其中,TGV工艺依靠激光钻孔,孔内金属填充基于铸造模具和CMP,封装则采用三层阳极键合工艺。此外,在制备MEMS器件时,还首次引入了铸造模具工艺。在结构设计方面,塞子采用分布式梳状电极进行过载位移抑制,封装方法释放的气体具有良好的机械阻尼特性。所制备的加速度计抗过载能力达10000g,噪声密度小于0.001(°)/Hz12,并且具有超高的倾斜测量性能[60]。 2.4多芯片模块封装 TGV技术在多芯片模块封装中也有广泛应用。2018年,日本富士通公司的Iwai等基于TGV技术开发了一种多层玻璃板堆叠工艺,它使用导电膏作为通孔填充材料,通过叠层和热压合实现多层玻璃基板的堆叠。回流测试结果表明:玻璃基板的翘曲率明显低于有机基板。该工艺利用多层玻璃基板热膨胀系数与硅相近的特性,解决了2.5D封装技术中存在的硅与有机基板热膨胀系数不匹配问题[61]。2019年,Iwai等基于多层玻璃基板堆叠工艺,完成了高密度布线,实现了多芯片模块的封装,如图7所示。其玻璃尺寸约为100mm×100mm,孔径为20μm,线/间距为5μm/5μm。通过微凸块(间距40μm)在玻璃基板上成功安装并连接了9个21mm×21mm的芯片。在30℃至250℃的温度范围内,翘曲非常轻微:9个芯片的最大翘曲量仅为23μm。因此,与传统的硅中介层技术相比,基于TGV技术的玻璃基板堆叠技术在计算性能改进方面具有显著优势[62]。 3结论与展望 TGV技术在三维集成电路中具有高性能、低成本、多兼容等显著优势。这些优势使得TGV技术在三维集成无源器件、射频天线、高端MEMS传感器、高密度系统集成等领域具有广阔应用前景。在TGV制程方面,激光诱导刻蚀技术和电镀填孔技术是当前TGV成孔和孔填充中较为成熟的工艺,但仍需要在加工精度、加工效率和加工成本方面进一步优化和改进,以应对日益复杂的电子器件和系统的需求。 基于TGV技术的三维集成电子封装未来发展方向可以从以下方面进行考虑。 低成本智能化工艺:随着TGV技术的不断发展,未来会出现更多的制造工艺优化,以提高生产效率和降低成本。例如,通过改进设备和通孔工艺,提高TGV通孔的均一性、垂直性和深宽比;同时通过改进金属镀膜工艺,在通孔中实现高质量的金属填充,降低孔隙率和信号损耗。另外,玻璃通孔技术正在走向智能化、精细化。智能化的封装工艺将更注重对于封装材料、工艺参数和制程管理的精确把控,以提高封装的良品率和可靠性。此外,通过自动化操作和AI技术的引入,可以实现更高效的生产流程,降低生产成本,提高产品的市场竞争力。 多维度一体化集成:随着5G、6G等通信技术的发展,未来TGV三维电子封装会更加注重系统集成。TGV技术可以同时在横向和纵向上实现多种芯片的高密度集成,从而在一个封装体内实现多种功能、多个系统之间的相互联接和协同工作,例如同时实现集成电源管理、数字信号处理、射频信号传输等多种功能。这样的一体化集成不仅可以提高封装的集成度从而提升整个系统的性能、效率、可靠性和安全性,同时也可以简化设计和制造流程,降低整个系统的复杂性和成本。 绿色环保制程:随着社会环保意识的不断提高,环保已经成为了各行业的重要发展方向。玻璃通孔三维互联技术的环保性得益于其使用的绿色环保材料和低能耗的制程。未来TGV三维集成电子封装也会更加注重绿色环保,即采用更加环保的材料和制造工艺,以降低对环境的影响。例如,采用全干法制程进行玻璃通孔及金属化填充,避免玻璃通孔过程中的液体蚀刻工艺和金属化过程中的电镀工艺,减少对废液的处理和对环境的污染。未来,封装厂商也将更加注重生产过程的绿色化,减少对环境的污染,为社会创造更加绿色的发展环境。
电动汽车底盘的检查包括底盘破损、变形、螺丝松动、油液渗漏等问题，图1所示为电动汽车的底盘。 1. 变速器故障 变速器（图2）担负着变速、变扭矩、实现倒车并利用空挡暂时切断动力等任务，使得汽车适应各种条件下的行驶，并能满足“不跳挡、不乱挡、不漏油、无异响、传动平稳、变换挡位自如”的技术要求。 因为汽车在行驶过程中，变速器各运动部件经常处于高转速、大负荷的工作条件下，当行驶道路复杂时，挡位变换频繁。在换挡过程中，变速器内部齿轮之间、齿轮和轴之间因相对运动的变化而发生冲击，使各部件产生磨损，特别是装配调整不当或驾驶人操作不当，则会加剧磨损，甚至造成机件的损坏，从而使变速器发生故障。如图3所示，齿轮油（变速器油）是电动汽车需要频繁更换的油液，但各厂商的更换周期不同。变速器常见故障及处理方法见表3。 2. 转向系统故障 转向装置主要由转向器与传动机构两部分组成，转向装置技术状况的好坏直接影响到汽车行驶的平顺性、操纵稳定性、安全可靠性以及轮胎的磨损等。随着汽车行驶里程的增加，转向装置中某些机件将由于磨损而失去正确的几何形状，配合间隙也不断增大，转向装置的技术状况不断变差，最终可能产生以下种种故障。 （1）方向盘自由行程过大 故障现象：汽车实施转向或接收路面感觉不灵敏，方向盘游动间隙大于规定标准，方向盘虽然转动了很多，但转向轮没有发生偏转，或方向盘不动而转向轮却自动偏转。 故障原因：方向盘和转向轴固定螺母松动；转向器主、从动部分啮合间隙过大，摇臂轴与衬套间松旷；转向器内主、从动轴承松旷；横、直拉杆球节调节不当或磨损松旷；转向节主销与衬套磨损严重等。 处理方法：两人配合，一人在车上转动方向盘，另一人在车下观察摇臂和转向轮。如果方向盘已转动很多而摇臂并不摆动，说明故障在转向器部分；如果摇臂已转动很多而前轮不偏转，则故障在传动机构。 （2）转向沉重 故障现象：汽车在运行中，驾驶人向左或右转动方向盘时，感觉沉重吃力而且无回正感。当汽车以低速转弯状态行驶时，转动方向盘非常吃力，甚至打不动方向盘。 故障原因：转向轴弯曲变形；转向器内主动部分的轴承预紧力过大；转向器内缺油；摇臂轴和衬套装配过紧；主销内倾、后倾角度变大或前束不符合要求；前钢板弹簧挠度尺寸不满足要求；轮胎气压不足。 处理方法：支起前桥，如果转向轻便，则故障在前轴、轮胎等部位；如果转向沉重，则故障在转向器或传动机构。 （3）前轮摇摆 故障现象：汽车在一定速度下行驶时，两前轮各自绕主销产生角振动，一般为前轮摆动。前轮左右摆动严重时，方向盘抖振强烈，手感发麻，甚至在驾驶室内都可以看到车头晃动，此时，前轮沿着一条弯曲的波形轨迹向前滚动。 故障原因：前轮定位失常；转向机构松旷；前轮质量不平衡；转向系统刚度低，U形螺栓或钢板销和衬套松旷；前悬架运动干涉；道路不平等。 处理方法：检查并调整前轮定位参数、转向机构、前轮的动平衡等。 （4）行驶跑偏 故障现象：汽车在平直路面上行驶时，无法保持直线行驶，总是自动偏向道路某一边，必须用力把住方向盘才能直线行驶。 故障原因：前桥或车架变形；前轮轮毂轴承与主销松旷；定位参数改变；前轮轮胎新旧程度不同或气压不一致；减振器失效等。 处理方法：在平坦地段检查轮胎磨损与气压；检查前桥、车架有无变形及钢板弹簧的片数；路试检查制动鼓上轮毂的温度。 3. 制动系统故障 制动系统是汽车最重要的安全系统之一，一旦发生故障，后果将不堪设想。汽车制动系统常见故障及处理方法如下。 （1）制动不良或失灵 ①制动管（如接头处）渗漏或阻塞，制动液不足，制动油压下降导致制动失灵。需定期检查制动管路，排除渗漏、添加制动液、疏通管路。 ②制动管内进入空气使制动迟缓，制动管路受热，管内残余压力太小，导致制动液气化，管路内出现气泡。因为气体可压缩，所以在制动时导致制动力矩下降。维护时，可将制动轮缸及管内空气排净并加足制动液。 ③制动间隙不当。制动摩擦片工作面和制动鼓内壁工作面的间隙过大，制动时轮缸活塞行程过大，导致制动迟缓、制动力矩下降。维修时，按照规范全面调校制动间隙，即用平头螺钉旋具从检查孔拨动棘轮，将制动蹄完全张开，使间隙消除，再将棘轮退回3-6齿，以达到所要求的间隙。 ④制动鼓与摩擦衬片接触不良，以致摩擦衬片与制动鼓接触不良，制动摩擦力矩下降。如果发现此现象，必须校正修复，需要的话可以更换新件。 ⑤制动摩擦片被油垢污染或浸水受潮，摩擦系数快速降低，引起制动失灵。维护时，拆下摩擦片用汽油清洗，并用喷灯加热烘烤，使渗入片中的油渗出来，渗油严重时必须更换新片。对于浸水的摩擦片，可用连续制动来产生热能使水蒸发，恢复其摩擦系数即可。 ⑥制动主缸、轮缸皮碗（或其他件）损坏，制动管路无法产生必要的内压，油液漏渗，致使制动不良。应及时拆检制动主缸、轮缸皮碗，更换磨蚀损坏部件。 （2）制动单边 ①同轴左右两边制动器制动时间不一致，通常是两边制动器制动间隙不均或接触面积差异所引起的。制动时，一侧摩擦片先接触制动鼓进行制动，而另一侧由于间隙大、摩擦片与制动鼓接触滞后，制动不同步。遇此现象，可重新校对左右轮制动间隙。 ②同轴两边制动器的制动力矩不同，使得车轮转速不同，直线行驶的距离就不相等，从而造成制动单边。这一般是因为某边制动轮缸漏油、制动摩擦片油污严重、摩擦系数出现差异或左右轮胎气压不等所造成的。可用汽油清洗摩擦片、检查轮胎气压、修复渗漏处等。 ③不踩制动踏板汽车就自动滑行到一侧。这通常为一侧前悬架变形、前悬架车身底板变形、前悬架螺旋弹簧弹力严重下降以及车架等相关部位在汽车制动时相互干涉或不协调所致。遇上述情况，查明原因后加以修复。 ④制动时车轮自动向一边转弯而跑偏。这主要是由两边制动鼓和摩擦片工作表面粗糙度不同，或一侧制动管路接头堵塞等引起的。应分别查找根源，加以修复。 ⑤左右轮胎气压不均造成跑偏。左右轮胎充气气压必须一致，否则因两边车轮的实际转动半径不同、行驶的直线距离不等而出现侧滑。必须给各轮胎按规定充气。 ⑥除上述原因以外，还有车轮定位失准及左右轮胎磨损不同，由此路面对左右车轮的阻力差也会引起跑偏侧滑。遇此情况，找准原因之后分别进行调校或更换部件。 （3）制动噪声 ①制动鼓失圆，其圆度误差较大，制动鼓工作面变形，制动时摩擦片和制动鼓贴合瞬间发生碰撞，同时发出尖锐的撞击响声。维护时，拆下制动鼓进行撞削，并需进行平衡性能校验。 ②制动摩擦片表面太光滑、摩擦系数小而制动压力大时，光滑的表面滑磨就会产生摩擦噪声，或在摩擦副之间塞进了异物挤压摩擦表面，由此也会发出摩擦噪声。维修时可拆下制动鼓，清除异物并用粗砂纸打磨摩擦片，并使其配合摩擦副接触面积达到70％以上即可。 ③制动摩擦片严重磨损，表面出现沟槽和不规则形状，制动时无法完全有效地和制动鼓贴合，或制动支撑板变形，破坏了鼓和片的同轴度，局部摩擦、碰撞而出现噪声。维修时，应更换摩擦片，校正制动支撑板。 ④前轮轴承损坏、滚道和滚珠表面出现麻坑、沟槽甚至碎裂，行驶中制动就会发出异响。可更换前轴头轴承，即可消除此噪声。 （4）制动鼓发热 ①当放松制动踏板时，制动力未完全解除，使得摩擦副长时间处于摩擦状态，引起起步困难、行驶无力，用手触摸轮毂表面感到烫手。遇此情况，需重新调节制动间隙。 ②驻车制动手柄没完全放开，其原因是操作上的疏忽，导致摩擦副长时间处于摩擦状态而发热，必要时按规范调整手柄。 ③制动产生的热量使回位弹簧受热变形、弹力下降或消失，不能确保制动摩擦片总成及时回位，便无法及时彻底解除制动而使制动鼓发热。应及时检修或更换回位弹簧，即可消除故障。 （5）驻车制动失灵 常见故障包括拉索或外套锈蚀，牵引弹簧折断、脱落等，导致驻车制动操纵拉索或制动拉索在其外套内拉动不灵活，由此造成驻车制动松不开而工作失效。需检查制动操纵拉索和制动系统部件表面有无损伤，手柄操纵动作是否灵活，有无卡滞现象，拉索连接头及固定部位是否松动、损坏。检修时，对拉索加注润滑脂进行润滑，或更换损坏件，重新调整制动手柄转动量。 4. 行驶系统故障 汽车行驶系统状况的好坏直接影响到汽车行驶的平顺性和操纵稳定性，所以，对于行驶装置的常见故障应及时处理。 （1）悬架发生刚性碰撞或异响 故障现象：汽车行驶中悬架发生撞击，出现异响，振动强烈。 故障原因：钢板弹簧销或螺旋弹簧产生塑性变形；减振垫、限位块损坏；润滑不良；减振器失效等。 处理方法：检查悬架是否变形、松动以及减振垫的润滑情况，必要时添加润滑脂；检查减振器是否损坏。 （2）轮胎异常磨损 故障现象：轮胎出现两肩磨损、胎冠中部磨损、内侧磨损、锯齿形磨损或波浪形磨损。 故障原因：前车轮外倾角和前束不符合要求；车轮轮毂轴承磨损、松旷；轮胎不平衡量过大，轮胎气压不正常；减振器失效，轮毂变形。 处理方法：检查减振器是否失效，轮毂是否变形，必要时更换；检查车轮轮毂轴承是否磨损、松旷，轮胎气压是否正常，必要时调整、补气、做轮胎动平衡。
摘 要： 随着大功率器件朝着高压、高电流以及小型化的方向发展，这对于器件的散热要求变得更为严格。陶瓷基板因其卓越的热导率和机械性能，被广泛应用于大功率器件的封装工艺中。本文首先综合评述了高导热 Al2O3、SiC、AlN 和 Si3N4 陶瓷的制备方法、性能特点以及研究进展，并探讨了不同成分和工艺与陶瓷热导率的关系。接着，文章详细介绍了直接沉积铜、直接键合铜、活性金属焊接、激光活性金属化和厚印刷铜等金属化技术的工艺流程及研究现状，同时指出了这些金属化技术的热点问题和存在的不足。最后，对各类陶瓷基板及其金属化工艺的未来发展进行展望。 电子元器件在电路中发挥滤波、整理、信号处理和信号控制等作用，被广泛应用于各种电气设备中[1,2]。电子元器件通常对温度极为敏感，超过 55 %的电子元器件故障源于热失效[3]。因此，为电子元器件提供良好的散热环境至关重要。随着集成电路的发展，大功率器件正朝着高电压、大电流、大功率密度及小型化的方向发展，这导致大功率器件会在更高的温度下工作。例如 SiC 功率器件可以实现超过 1000 W/cm2 的功率密度，可能在高达 500 °C 的极端环境中工作[4]，而其他功率半导体器件的工作温度也可能超过 250 °C[5]，这使热管理成为电子封装领域的一大挑战。器件产生的热量需先传递至基板，再由基板散发出去，这对基板的机械可靠性和热导率提出了较高要求。 目前，常见基板的性能特性如表 1 所示。环氧玻璃布层压板(FR-4)和覆金属基板是电子设备中常见的基板。然而，它们较低的热导率和较高的热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion，CTE)限制了它们在恶劣环境中的应用。相比之下，陶瓷基板虽然材料和工艺成本更高，但其热导率可达到200 W/m·K，CTE 与硅接近，并且具有更高的可靠性，因此广泛应用于微电子封装、传感器和无源元件等领域[1]。电子封装中使用的陶瓷基板制备流程和应用领域如图 1 所示。陶瓷粉末与添加剂混合并成型，经烧结得到致密的陶瓷基板。由于陶瓷基板为绝缘体，需进行金属化处理，形成导电金属层以供器件安装和电气连接。最后将器件安装在金属化陶瓷基板上应用。这种工艺广泛应用于发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)、绝缘栅双极晶体管(Insulate-Gate Bipolar Transistor，IGBT)、SiC 器件和大功率激光器件等领域。随着人工智能、汽车电气化与智能化、航空航天、军工等行业的蓬勃发展，对高导热基板的需求不断增长。据 QYresearch 报道[6]，2022年全球金属化陶瓷基板市场规模达到 11.3 亿美元，预计到2029 年将增至 41.5 亿美元，年复合增长率为18.23 %，显示出陶瓷基板广阔的市场前景，其技术与要求也将不断进步与发展。 为进一步推动陶瓷基板领域的发展，本文首先概述了当前电子封装中所使用的陶瓷基板的制备工艺。其次综述了 Al2O3、SiC、AlN 和 Si3N4 在热导率和力学性能方面的研究进展。接着，探讨了直接沉积铜(Direct Plating Copper，DPC)、直接键合铜(Direct Bonded Copper，DBC)、活性金属焊接(Active Metal Brazing，AMB)、激光活性金属化(Laser Activated Metallization，LAM)和厚印刷铜(Thick Printed Copper，TPC)等多种平面陶瓷基板金属化工艺的流程和研究现状。最后，基于综述内容，总结相关进展并展望未来发展方向。 2 电子封装的高导热陶瓷基板 2.1 高导热陶瓷基板的制造工艺 大功率器件所使用的陶瓷基板多为平面状，平面陶瓷基板的制造工艺可分为成型与烧结两步。报道中常见的成型工艺及特点如表 2 所示。其中干压成型和流延成型广泛用于陶瓷基板的工业化生 产。干压成型的工艺流程如图 2a 所示，施加压力和保压时间是干压过程中最重要的参数。流延成型被认为是制造大尺寸平面陶瓷基板的一种经济、连续和自动化的工艺[9]，其工艺如图 2b 所示。流延成型在制备多层材料及器件方面具有低成本和高效率的特性[10]，广泛用于制造诸如低温共烧陶瓷基板、电容器和微波介电陶瓷器件。 陶瓷的烧结是将陶瓷粉末在高温下形成致密陶瓷块体的过程。高导热的 SiC、AlN 和 Si3N4 等陶瓷因其具有特别强的共价键而难以使用纯的陶瓷粉末烧结成致密的陶瓷块体。通常通过掺入低熔点的添加剂并混合成型再一起烧结，以提高烧结体致密度。烧结按烧结过程是否形成液相分为固相烧结和液相烧结，两者的驱动力都是总表面能的减少。固相烧结是一种无需液相参与的陶瓷致密化方法，该过程主要通过三种机制实现：蒸气传输、表面-晶格-晶界扩散以及由位错迁移驱动的塑性变形，这些机制共同促进陶瓷内部颗粒间有效的致密连接[11]。液相烧结是添加剂在高温下转变成液态，形成固体颗粒和液相处于化学平衡的系统[12]，并且随着烧结的进行，陶瓷的晶粒生长和致密化同时发生的一种烧结工艺。若按照工艺区分，烧结工艺还可以分为无压烧结(Pressureless Sintering，PLS)[13]、气压烧结(Gas Pressure Sintering，GPS)[14]、(Hot Press Sintering，HPS)[15]、热等静压烧结(Hot Isostatic Pressure Sintering，HIPS)[16]、放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering，SPS)[17]等。其中 SPS、HPS 和HIPS 由于条件要求高或工艺复杂，不适合大规模生产陶瓷基板。 2.2 高导热陶瓷基板的研究现状 电子封装过程需要将模块封装在陶瓷基板上，所以要在陶瓷基板上形成一定厚度的金属层，以便于模块的焊接和电气连接，这需要满足多个指标。首先，陶瓷基板有两个主要功能：为功率模块提供结构支撑，需要高绝缘性和良好的力学性能；为功率模块散热，需要高导热性[2]。其次，陶瓷基板在某些电路中用作共模电容器，需要考虑其介电常数[26]。通常情况下，信号传播延迟与介电常数值的平方根成正比；因此，介电常数越低，信号传输速度越快，这就要求陶瓷基板具有较低的介电常数[27]。此外，许多陶瓷材料的热导率和击穿电阻随着环境温度的升高而降低，因此需要确保陶瓷在高温条件下仍能保持良好的性能。 在 1999 年出版的《先进电子封装》一书中，Ulrich 等人[28]讨论了各种陶瓷材料的性能，如表 3常见的陶瓷材料的性能[33]所示。Al2O3具有较低的强度和导热性，因此很难应用于大功率器件。BeO具有极高的热导率，但由于毒性问题，其工业应用受到严格限制[29]。BN 具有很高的热导率，但其抗弯强度低、介电损耗系数高，因而受到限制。SiC 具有优良的导热性能和适中的机械强度，但其相对较高的介电常数可能限制其在电子封装领域的应用。AlN 陶瓷具有较高的热导率、适中的抗弯强度和出色的电气性能，因此被广泛应用。Si3N4的突出特点是强度非常高，CTE 接近硅，但实际的热导率远低于本征热导率(450 W/m·K)。目前商用的高导热陶瓷基板主要包括 Al2O3、SiC、AlN 和 Si3N4基板。对于大功率器件而言，陶瓷基板的热导率是一个至关重要的性能指标，下面，本文将分别探讨这些陶瓷在该方面的研究进展。 2.2.1 Al2O3 基板 Al2O3 有多种晶体形式，如α-Al2O3、β-Al2O3、γ-Al2O3、η-Al2O3、δ-Al2O3 和θ-Al2O3[30]。其中，最稳定的为α-Al2O3，即刚玉。其它形态的 Al2O3 在 950 oC~1700 oC 时会转变成稳定的α-Al2O3[31]。α-Al2O3 是一种重要的材料，由于其硬度高、熔点高、电导率低，在电子、光学、生物医学和机械工程中有许多技术应用[32]。不同纯度的 Al2O3 的性能如表 4 所示。随着纯度的增加，Al2O3 的热导率、抗弯强度和 CTE 都有明显的增加。Al2O3 的热导率远低于 AlN，所以其在导热方面的研究报道较少。但由于 Al2O3 的制备工艺简单、成本低廉以及其它优异性能，仍可以在低功率场景应用以降低成本。《GB/T39863-2021 覆铜板用 Al2O3 陶瓷基片》对 Al2O3 基板的性能标准进行规范[33]，其部分指标为：纯度≥96 %、室温热导率≥24 W/m·K 和抗弯强度≥300 MPa。 2.2.2 SiC 基板 SiC 有立方结构、六方结构和正交结构等多种晶体结构[34]。其中，立方结构是指 β-SiC，其余结构统称为 α-SiC。在低温环境下，β-SiC 更为稳定，当温度超过 2000 °C 时，会发生 β-SiC到 α-SiC 的相变。即便如此，在不纯的 SiC 体系中，当温度超过 1600 °C 时，也可能发生 β 相向 α 相的转变[35]。SiC 由于其高强度、高刚度和优异的耐腐蚀性、抗氧化性和辐照性，是恶劣环境中的重要结构材料[36]。SiC 的本征热导率为 490 W/m·K[37]，但本文调研的 SiC 热导率的最大值(270 W/m·K)仅达到本征热导率的55.1 %，仍有非常大的提升空间。这是由于晶粒内晶格缺陷、晶界和残余晶间相引起的声子散射效应阻碍热传导。特别是，SiC 晶格中溶解的氧被认为是降低热导率的主要因素之一。氧气的溶解会导致硅空位的形成(如式 1 所示)，从而降低声子传播效率[38]。通常，SiC 中的晶格氧来源于起始粉末中的固有晶格氧和表面的 SiO2 钝化层[39]。因此，制备高热导率的 SiC 关键在于在保证陶瓷致密的条件下，通过原料和工艺来减少晶格氧的形成。 SiC 是一种具有强大共价键的化合物，SiC粉末在高温高压的条件下才能形成致密的块体。Nadeau 等人[39]在极端的烧结条件下(2500 °C 和 5000 MPa)成功制备了纯 SiC，这凸显了其制备的困难。为了克服高温烧结的挑战，研究者常在陶瓷粉末中掺入低熔点添加剂，采取固态或液相烧结技术制备 SiC。在固态烧结过程中，适量的硼和碳已被证实能够促进 SiC 的致密化[40]。对于液相烧结，因其可以促进晶粒生长以及具有良好的缺陷修复能力，而被认为更适合制备高密度的 SiC [41]。此外，SiC 陶瓷还可以使用硅、碳和 SiC 粉末等原料反应烧结形成。反应烧结涉及多孔碳预制件的制作、液态硅的渗透以及高温下与碳的化学反应。该过程通过毛细管作用使液态硅渗透多孔预制件(由碳和 α-SiC 制成)，随后液态硅与碳反应形成 β-SiC，最终与 α-SiC 结合形成致密的陶瓷。尽管反应烧结产生的陶瓷可能含有较多的残余硅和碳，导致热导率和强度较低，但其制备周期短、温度低、成型精度高，使其在工业中存在一定的应用[42]。 SiC 的热导率和力学性能与其化学组成和烧结工艺密切相关。根据文献报道，添加 BeO 作为添加剂的 SiC 可获得目前最高的实测热导率(270 W/m·K)[43]。表 5 不同成分的 SiC 的性能进一步详细展示了不同组分及烧结方法对 SiC 性能的具体影响。其中，采用 SPS 工艺制备的 SiC-0.85Y2O3-0.26Sc2O3(wt.%)陶瓷的热导率达到 262 W/m·K)，高于采用 HPS制备的 SiC-0.85Y2O3-0.52Sc2O3(wt.%)陶瓷(234 W/m·K)。尽管这两种SiC 的成分相似，但由于烧结方式的差异，其热导率相差显著，表明SiC 的热导率对工艺或微小的成分变化非常敏感。 在所调研的文献中，通过固态烧结法制备的 SiC 的最高热导率仅为 192 W/m·K，远低于液相烧结制备的 SiC 的最大热导率。这是因为在液相烧结过程中，添加剂能够净化晶格，而固态烧结则无此效果。考虑到反应烧结法制备的 SiC 热导率更低，所以液相烧结更适合制备高热导率 SiC，但需搭配合适的添加剂。例如，掺入稀土氧化物可净化晶格提高热导率；而 Al2O3 添加剂则可能形成 Si 空位[38]，从而降低热导率。还有文献[44,45]提供的证据表明，在保证致密度的前提下，添加剂的含量越低，SiC 热导率越高。 除了化学组分和烧结方法外，影响 SiC 热导率的其他关键因素还包括原料的晶体结构[39]和粉末粒径[46]、晶粒尺寸[47]、烧结温度[39]、烧结时长[48]、和烧结气氛[38]等，这些因素在表 6 影响 SiC 热导率的因素中有更详细的概述。 图 3 按照热导率递减的顺序(a 至 f)系统地展示了不同文献报道的 SiC 的扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope，SEM)图像。对比图 3a[17]与图 3b[49]可知，图3a 所示样品中的小尺寸晶粒数量相对较少，因此具有更高的热导率。然而，图 3c 的晶粒尺寸看似比图 3d 的小，且第二相更粗大，其热导率却高于图 3d[48]，这需要进一步分析。根据图 4 所示的高分辨率透射电子显微镜(High Resolution Transmission Electron Microscope，HRTEM)图像，SiC 内部存在清洁晶界(图 4a)和附着有非晶膜的晶界(图 4b)两种类型[17]。当无明显连续的第二相阻断晶粒时，陶瓷的热导率主要取决于晶格缺陷的数量和晶界的纯净度。所以尽管图 3c 的晶粒尺寸较图 3d 更小，但其晶界却更干净，因此其热导率更高。这说明烧结气氛也会对 SiC 的组织造成影响。图 3e[36]展示了典型固态烧结 SiC组织，具有较多缺陷和杂质，以小晶粒为主，导致热导率不高，但其优势是制备时间短。图3f[47]展示了含 Al 的 SiC 组织，与其它添加剂明显不同，晶粒尺寸小、缺陷多、晶界宽，且晶粒内存在许多杂质，导致热导率非常低。 通过深入分析 SiC 的化学组成、烧结工艺以及微观组织特性，可获得实现高热导率 SiC 的制备要求：首先应使用合适的添加剂和烧结工艺确保 SiC 达到高致密度，同时在维持致密度的前提下，尽量降低添加剂用量；其次，为减少晶格内的氧缺陷，选用既不溶于 SiC 晶格又能有效净化晶格的添加剂；再者，在保证 SiC 的强度满足要求的情况下通过优化烧结工艺尽可能增大晶粒尺寸；最后，结合添加剂与烧结气氛间的潜在反应性，精心选择适宜的烧结气氛条件。 2.2.3 AlN 基板 AlN 凭借其出色的物理化学性能，包括高达 319 W/m·K 的本征热导率、低介电常数、高电阻率、6.2 eV 的室温宽禁带宽度、稳定的化学性质以及与硅类似的 CTE，被广泛应用在多种场景中[54]。 然而，现有研究中所记录到的 AlN 最高热导率仅为 248 W/m·K，相当于其本征值的77.4 %，表明 AlN 的热导率仍有提升空间[55]。决定 AlN 热导率的关键因素是晶格缺陷结构，其中，晶格氧缺陷尤为突出。Slack 等人[54]指出，氧以 Al2O3 形态替代氮原子进入 AlN 晶格时，每个三元氧组合会生成一个铝空位(V'')，这一现象可以通过特定公式量化描述： 式中 x 为 AlN 中氧杂质数量密度和氮数量密度的比值；V''为铝空位。显而易见，AlN 晶格的氧含量对其热导率的影响至关重要[56]。 AlN 陶瓷的制备通常需要掺入低熔点氧化物作为添加剂，以降低烧结温度并优化烧结质量。不同添加剂在改善 AlN 性能方面表现出不同的效果和最优添加比例。其中，亲氧添加剂因其净化晶格的能力而被广泛应用，可有效提升 AlN 的热导率[57,58]。 表 7 列举了几种常见的 AlN 烧结添加剂及其可能发生的反应。其中，Y2O3、YF3、YbF3、Yb2O3、CaF2 和 Li2CO3 等添加剂能与 AlN 表面的 Al2O3 发生反应，实现 AlN 晶格的净化，提高热导率，以Y2O3 的效果最佳[59]。添加剂用量不足可能导致陶瓷致密度不足或晶格净化不彻底，而过量添加则易形成粗大的第二相，两者都会显著降低 AlN 的热导率[60]。为加快制备高热导率 AlN 的进程，可先测定 AlN 粉末的表面含氧量，再根据反应方程式计算所需添加剂的最佳剂量[59]。 除亲氧性外，部分添加剂还具备其它特性。例如，Li2CO3 高温分解生成的 Li2O 不仅能净化晶格，还会在高于 1600 °C 时升华，进一步净化晶界，增强 AlN 的热导率[61]。CaC2 转化成CaO-Al2O3 复合物及 CO 或 CO2 气体，有效减少陶瓷中的晶格氧、孔隙和缺陷，增强晶粒的均匀性的同时提高陶瓷的热导率[62]。相比之下，添加 Al2O3 可能溶入 AlN 晶粒内部产生缺陷，从而降低热导率[63]。 烧结方法的选择也影响添加剂的效果。Ishizaki 等人[64]研究表明，使用 1 mol% Y2O3 作为添加剂，通过 PLS 制备 AlN 时，随烧结温度升高，晶格中氧含量逐步减少，热导率也随之提高；而在 HIPS条件下，AlN 的氧含量变化不大，热导率较低。这主要因为在 PLS 过程中，Y2O3 易与Al2O3 反应并排出含氧气体，而在 HIPS 高压状态下，这种反应受限。 表 8 展示了不同成分和工艺的 AlN的性能对比。本文调研的 AlN 最高热导率为 248 W/m·K，仅使用 Y2O3 作为添加剂，采用无压烧结工艺[55]。许多采用单一稀土氧化物添加剂制备的 AlN 显示出较高的热导率，而多组分添加剂制备的 AlN 不仅热导率略逊一筹，其力学性能也并未体现出显著优势。就烧结工艺而言，PLS 和 HPS 制备的 AlN 通常具有更高的热导率，因为较高的烧结温度、更长的烧结时间和更缓慢的冷却速率有利于提高 AlN 的热导率[59]，而这两种工艺非常容易实现这些条件。然而，鉴于 SPS 工艺烧结时间较短，故并不适合用于制造高导热的 AlN。 表中数据还表明，尽管高热导率的 AlN 在热传导性能上表现出色，但其力学性能常常不尽人意，这限制了其应用范围。特别是晶粒尺寸对 AlN 的整体性能有着重要的影响—较大的晶粒尺寸虽然有助于提升热导率，却可能降低其强度。因此，研究者们尝试采用多步热处理工艺以优化 AlN 的综合性能[68]，即先通过较短的高温阶段促使 AlN 迅速致密化，然后在经长时间低温退火继续提高致密度，同时防止晶粒过度长大，从而同时提升 AlN 的热导率和强度。尽管如此，表中使用两步烧结制备的AlN-3Yb2O3-2YbF3(wt.%)陶瓷仍未满足《GB/T 39975-2021-氮化铝陶瓷散热基片》的性能指标。 图 5 显示了不同 AlN 样品的 SEM 组织。通过对比图 5a[68]和图 5b[68]可以发现，两步烧结法制备的 AlN 晶粒尺寸更小，这有助于提高其强度。此外，传统无压烧结法制备的 AlN 中第二相连续分布，阻断了整个 AlN 晶粒，不利于热传递。而两步烧结法制备的 AlN 中第二相弥散分布于晶粒交界处，对热传递的阻碍较小，因此具有更高的热导率。图5c[74]为 SPS 工艺制备的 AlN 的 SEM 组织，由于烧结时间较短，样品中仍存在较多空隙和粗大的第二相，导致热导率下降。同时，短时间的烧结导致添加剂难以有效净化晶格，晶粒也未充分长大，这些因素均不利于热导率的提高。相比之下，图5d[71]展示的 AlN 样品经过复杂的热处理工艺制备，尽管存在粗大的第二相，但其表现出的热导率可超过 200 W/m·K。这一显著结果可以归因于采用的预烧工艺，在此过程中，通过将生胚置于石墨坩埚中预烧，有效降低了粉末表面的氧含量，从而使得最终制备的陶瓷材料具有更低的晶格氧含量。因此，降低晶格含氧量对于提升 AlN 的热导率最为关键。此外，晶粒尺寸和第二相的尺寸及分布对热导率也存在一定的影响。 2.2.4 Si3N4 基板 Si3N4 存在 α-Si3N4、β-Si3N4 和 γ-Si3N4 三种晶体结构，其中 α-Si3N4 和 β-Si3N4 为六方结构，γ-Si3N4为立方晶尖石结构。商用 Si3N4 粉末主要为 α 相和 β 相。β-Si3N4 是热力学稳定相，因为 α→β 转变不可逆。纯的 α-Si3N4 在 2200 oC 以下不发生相变，但掺入添加剂后可在 2150 oC 以下触发 α→β 转变，机理是高温下添加剂与 Si3N4 表面相互作用形成液相，促进 β 相的形核与长大[76]。 Hirosaki 等人[77]通过分子动力学模拟发现，α-Si3N4 单晶沿 a 轴和 c 轴的理论热导率分别为 105W/m·K 和 225 W/m·K，而 β-Si3N4 相应轴向的热导率则为 170 W/m·K 和 450 W/m·K。说明 β 晶型更利于提高 Si3N4 陶瓷热导率。本调研的 Si3N4 的最高热导率为 177 W/m·K，仅为理论最大值的 39.3 %，提升潜力巨大。 Si3N4 的热导率受晶格缺陷引起的声子散射效应限制，特别是氧原子替代氮原子会形成硅空位，导致 Si3N4 的热导率下降，通常通过掺入添加剂以及优化烧结工艺来控制晶格含氧量[78]。MgO 和稀土氧化物等低熔点添加剂常用于 Si3N4 共烧。其中亲氧型添加剂能够净化晶格，有助于提升 Si3N4 的热导率[78]。但含Al 的添加剂易形成固溶体从而降低热导率[79]，Fe 杂质也有类似的负面影响[80]。制备高热导率 Si3N4 的烧结工艺应采用高温高压、长时间高温退火及缓慢冷却等策略，最大限度减少晶格氧含量并促进晶粒生长[16,81]。 由于 Si3N4 不同晶粒取向热导率差异大，还可通过掺入微量 β-Si3N4 晶种，结合磁场辅助滑动铸造[82]、热压技术[83]或流延技术[16]等技术，可制备高度各向异性的 Si3N4。制备的陶瓷在某一方向(高度c 轴取向)的热导率非常高，但垂直于该方向的热导率相对较低。 此外，还能够以硅粉为原料，通过反应烧结法(Reaction-Bonded Sintering，RBS)制备高热导率Si3N4。该工艺流程涉及硅粉与添加剂的混合及成型、硅粉的氮化以及高温烧结。反应烧结 Si3N4 因原材料成本低、氮化过程中坯体尺寸稳定且烧结后无需二次加工而被广泛应用[84]。理论上，采用高纯硅粉制备的 Si3N4 的晶格含氧量更低，因硅粉的含氧量低于商业高纯 Si3N4 粉末的含氧量[81]。而且，由于氧气在β-Si3N4 中的溶解度远小于α-Si3N4 中的溶解度，所以可以通过调控氮化温度[85]、延长氮化时间[86]和优化氮化气氛及升温速率[81]增加氮化产物中 β-Si3N4 的比例，从而降低晶格氧含量，提高整体热导率。 表 9 展示了不同 Si3N4 样品的性能数据。热导率最高的 Si3N4 由反应烧结法制备，成分为Si3N4-5.62Yb2O3-1.44MgO(wt.%)，热导率为 177 W/m·K。其次为具有高度各项异性的(Si3N4-2.89MgSiN2-3.25Y2O3)(wt.%)+5 mol% β-Si3N4 陶瓷。值得注意的是，即使具有高度 c轴取向的 Si3N4，其热导率也只达到理论极限的 39.11 %，凸显了制备高热导率 Si3N4 的难度和潜力。除添加剂和烧结工艺外，原料的含氧量和晶体类型也是影响 Si3N4 热导率的重要因素。例如，Lee 等人[87]的研究表明，市售的Si3N4 粉末在氮气下退火一定时长后，含氧量从 1.27 wt.%降至 0.96 wt.%；使用退火后的粉末制备的Si3N4 与使用未退火粉末制备的 Si3N4 相比，其热导率提升了 18.32 %。Hayashi 等人[88]的报告则证明，采用 β-Si3N4 作为原料相较于 α-Si3N4 能获得更高热导率的 Si3N4。 目前制备的 Si3N4 的综合性能较差。表中高强度的 Si3N4 的热导率徘徊在 100 W/m·K 左右，而热导率最高纪录对应的抗弯强度也仅为 460 MPa，未能满足团体标准《T/SCS 000024—2023-高导热氮化硅陶瓷基片》的要求。未来研究亟待解决的问题是在大幅提升热导率的同时保持较高的强度和韧性，以避免在市场竞争中失去优势地位。 通过分析图 6 所示不同工艺和成分的Si3N4 的 SEM 图像，可深入了解其微观结构特征与热导率的关系。图 6a[81]展示的优化 RBS 工艺制备的 Si3N4 呈现出显著的晶粒尺寸不均一性，但部分晶粒硕大且孔隙稀少，加上较薄的晶界和非常低的晶格氧，共同支撑其优越的热导性能。相比之下，具有 c轴择优取向的 Si3N4（参见图6b[82]）存在非均匀的晶粒和明显的晶界，导致其热导率与理论值存在显著差距。为解决此问题，可通过优化添加剂和工艺以增大晶粒尺寸、减少第二相尺寸以及提高干净晶界的占比，有望提升其热导率。观察图 6c[95]所示的传统烧结法制备的高热导率 Si3N4 样品，尽管存在较多大尺寸晶粒和相对干净的晶界，但仍可见部分被第二相包围的小晶粒，这可能是导致其热导率低的原因。最后，图 6d[86]展示的低热导率 Si3N4 的组织中，存在大量小晶粒，且晶粒间存在明显的第二相或非常厚的晶界，因此热导率非常低。结合 SEM 分析可知，制备高热导率 Si3N4 的关键在于，在确保低晶格含氧量的同时，通过调控添加剂和优化工艺流程，使 Si3N4 的组织具有高度 c轴取向、大尺寸晶粒、干净的晶界和弥散分布的第二相。 2.3 高导热陶瓷的设计 通过整合上述观点，可以提炼出制备高热导率非氧化物陶瓷的核心设计要求(机理如图 7 所示)：首先要选择合适的添加剂和烧结工艺获取致密化的陶瓷；其次添加剂还应具有净化晶格的作用，能减少陶瓷的晶格缺陷；再次，陶瓷组织内无粗大连续的第二相，且陶瓷的晶界无非晶层；还有，在保证一定的强度下，陶瓷的晶粒尺寸越大越好；最后，对于热导率在晶型和晶向上存在高度各向异性的陶瓷(如 Si3N4)，制备的陶瓷组织应主要为最优晶型以及最优取向。 尽管现有大量的研究报道不同的成分、工艺参数与陶瓷性能之间的关系，但陶瓷性能与诸多因素(如粉末杂质含量、粒径、成分、烧结方式、烧结温度和烧结时间等)存在复杂联系，所以难以建立准确的预测模型。然而，随着人工智能的发展，利用大规模可靠数据训练人工智能模型对陶瓷性能进行预测已成为可能。例如，日本学者 Furushima 等人[96]利用支持向量回归机器学习算法预测 RBS制备的 Si3N4 的热导率，并取得了满意结果。通过人工智能辅助设计，不仅可以大幅节省时间和成本，而且是未来高热导率陶瓷材料设计的重要发展趋势。 3 陶瓷基板的金属化工艺 在成功制备高热导平面陶瓷基板之后，需要通过金属化处理在基板表面形成金属线路，从而实现器件的焊接和电气连接。当前工业广泛应用的成熟金属化工艺主要包括 DPC、DBC 以及 AMB，此外，学术文献中还报道了一些新兴的金属化技术，如 LAM 和 TPC。在众多工艺中，AMB和 DBC陶瓷基板以其卓越的高电压、高功率承载能力脱颖而出，广泛适用于大型电机驱动器、高压变换器、SiC 器件等大功率应用场景；而其他金属化工艺则更适合于低功率需求领域，如 GaN 功率半导体、移动电源设备和汽车控制器等。 目前市场应用及学术研究中，平面陶瓷基板金属化层多采用铜材料，对其性能评估的核心指标主要集中在金属层与陶瓷基板的结合力和金属层的电阻率。此外，针对不同的应用场景，铜层的厚度、线宽、线间距以及可靠性都有特定要求。尤为重要的是，由于铜与陶瓷基板之间显著的 CTE 差异，在器件服役过程中，温度变化和 CTE 不匹配可能导致陶瓷基板产生应力裂纹，从而影响器件的整体稳定性和可靠性[97]。因此，金属化陶瓷基板的热应力翘曲性能和温度循环稳定性也是关键的技术指标。下面各章节将对各类金属化工艺进行更深入的解析。 3.1 DPC 工艺 DPC 工艺流程如图 8 所示[8]。首先，基板经过激光冲孔并彻底清洁，然后在清洁干燥的陶瓷基板上沉积种子层，接着覆盖干膜并进行显影曝光，继而进行电镀操作，以生成所需的金属线路。此后，移除多余干膜和种子层，并在铜表面覆盖一层非活性金属来保护铜层，以便于后续的钎焊过程。 DPC 具有较高的线路精度、良好的金属层结合强度和线路电阻较低等特点。由于 DPC 工艺中铜层是通过光刻与电镀相结合的方式形成，因此其金属线宽可低于 50 μm[98]。在电阻和结合强度方面，Hao 等人[99]报道的溅射铜层的抗拉强度和方阻分别为 3.0 MPa 和 0.101 Ω.cm/□，沉积铜层的方阻为0.334 Ω.cm/□。由于 Ti 与陶瓷基板的结合强度更高[100]，因此，在陶瓷基板上预先溅射一层薄的 Ti 层后再溅射铜层，可显著提高结合强度，此时抗拉强度可提升至 11.8 MPa[101]。 尽管 DPC 陶瓷基板具有高导热性、高线路精度以及可通过通孔连接减少封装体积等优点，但受限于电镀工艺，其铜层厚度通常不超过 150 μm。目前 DPC 技术主要应用于大功率 LED 的封装。在高亮度 LED 和深紫外 LED 在高发热的应用场景中，不仅需要背面配备高导热基板散热，正面封装材料也需考虑热稳定性和可靠性。传统的树脂封装材料在紫外线和高温作用下易老化失效，因此目前的研究还倾向于采用高岭土、金属镍、金属铜等无机或金属材料在 DPC 基板上形成坝体结构，再搭配透明石英进行封装，以提高器件的可靠性[102]。 尽管 DPC 工艺已被广泛应用，但仍面临效率低、通孔填充不良和镀液通用性差等问题[103]。其中，通孔填充不良会影响器件的性能、稳定性和可靠性。其形成原因是电镀过程中，铜更易在通孔表面填充，导致在内部未充实的情况下使通孔闭合，最终在通孔内部形成孔洞。电镀通孔填充质量受电镀电流和添加剂配方的影响，通过优化电镀液配方及辅助工艺参数可改善通孔填充质量[103]。Wang 等人[104]通过改进电镀液配方和搅拌速率实现了高纵横比及无缺陷的镀铜通孔。其机制是通过抑制剂选择性抑制通孔表面沉积，同时使用加速剂选择性加速通孔内部沉积，当工艺参数适宜时，可形成无缺陷的镀铜通孔。 此外，DPC 陶瓷基板在电镀过程中可能存需要过长的的电镀时间、镀层厚度不均匀以及镀层内部存在宏观残余应力等问题[105]。其中，过高的残余应力可能引发镀层开裂或弯曲，且残余应力在铜层内部积累可能影响陶瓷基板的热稳定性[106]。为缓解这些问题，可以通过优化镀液配方和工艺减小基板的残余应力，如Thomas 等人[107]通过改进电镀液配方减少电镀铜对基板通孔附近区域的残余应力。 根据 QYresearch 的数据[6]，全球 DPC 陶瓷基板市场规模在 2022 年已达到 2.40 亿美元，预计至2029 年将以 4.43 %的复合年增长率增长至 3.27 亿美元。尽管 DPC 陶瓷基板具有较好的市场前景，但由于环境污染问题许多城市限制电镀生产，间接影响DPC 工业的发展。此外，DPC 工艺中使用的精密溅射镀膜设备的高昂的价格也提高了整体成本。因此，迫切需要研发新的技术，提高 DPC 陶瓷基板的线厚并降低成本，从而增强其在市场竞争中的优势。 3.2 DBC 工艺 DBC 技术最早由 Burgess 等人于 1973 年开创性地提出[108]，其基本原理在于利用铜箔表面氧化层在高温下形成 Cu-O 共晶熔体，该熔体具备卓越的润湿性能，在 1065 °C 共晶温度下能够有效联结陶瓷基板与未反应的铜箔，在冷却凝 固 后 确 保 两 者 间 的 强 韧 结合， 这 一 工 艺 流 程 的 可 参 见 图9[8]。 在 1065 °C 附近，Cu-O 形成的共 晶 相 ， 鉴 于 纯 铜 熔 点 为1083 °C，故共晶键合需在 1065 °C至 1083 °C 的温度范围内进行，实际操 作 多 集 中 在 1070 °C 至1075 °C[108]。降温过程中，Cu-O 共晶中的过饱和氧会以 Cu2O 沉淀形式析出；在 Al2O3 或 AlN 陶瓷中，还可能出现 CuAlO2 和 CuAl2O4 等附加反应产物[108]。共晶液的形成及其氧含量对于键合效果至关重要，鉴于氧气在铜熔体中的扩散率极低(10-5 cm2/s)，难以在键合过程中引入足量氧，故通常通过预氧化铜箔在铜箔表面形成Cu2O 以促进共晶液生成。铜中氧含量还对键合界面的强度有显著影响，因此对其精准调控是确保键合性能的核心环节[109]。 DBC 工艺需要搭配特定的基板使用。纯铜熔融体对 Al2O3、AlN 和 Si3N4 的润湿性较差，润湿角超过 130 °[108]。通过增加键合过程的氧分压和铜熔体的氧含量，可大幅度减少其在 Al2O3 表面的润湿角[110]。虽然 AlN 也可通过增加键合过程的氧分压、在真空环境下键合或延长键合时间以改善润湿性，但效果非常有限[111,112]。因此一般是对 AlN 进行预氧化处理，以在表面生成一层 Al2O3，再通过上述方法进行键合。但这些方法都难以改善铜熔体与 Si3N4 的润湿性，所以很少对 Si3N4 使用 DBC 工艺。 DBC 结构中铜层的厚度范围在 120μm 至 700 μm，湿法刻蚀技术使得铜层线路宽度达到 200μm[98]，且良好的 DBC 基板中铜层与基板之间的结合强度高于 65 N/cm[113]。但如此大的线宽限制了DBC 陶瓷基板在精密电子器件的应用[114]。 此外，DBC 陶瓷基板还面临键合界面存在孔隙及温度循环可靠性差的双重挑战。孔隙现象如图10a[108]所示，其确切原因尚未明确，推测可能与高温下 Cu2O 还原为 Cu 时释放氧气以及陶瓷基板的气体释放有关[111,108]。关于 DBC 陶瓷基板的热循环可靠性差的问题，是由于陶瓷与铜层的巨大 CTE差异，在温度循环测试中，这种差异导致基板内部应力累积，最终引发疲劳断裂[115]。Pietranico 等人指出 DBC 陶瓷基板在温度循环中失效的主要机理[116]：一是在 DBC 基板上，疲劳裂纹起始于铜层内的敏感几何位置或接近铜/陶瓷界面，并在达到特定阈值后扩展并分支穿入陶瓷层；二是由于陶瓷层本征缺陷引发的脆性断裂，裂纹沿最大主应力方向垂直穿过界面。图 10 还展示了几例典型的 DBC陶瓷基板失效案例，超声波扫描结果显示铜层边缘存在白色特征区域，指示此处已出现裂纹(参阅图10b[117])，而图10c[118]的破裂样品横截面清晰揭示裂纹存在于陶瓷基板内部而非铜层与陶瓷界面。针对此难题，通过优化铜层设计[119]、铝箔代替铜箔[120]，以及增加基板强度和韧性等手段[113]，能够显著提高 DBC 陶瓷基板的温度循环可靠性。 DBC 技术的市场潜力得益于其相对简单的设备和工艺。据 QYResearch 报告[6]，2022年全球 DBC陶瓷基板市场的销售额为 4.4 亿美元，预计到 2029 年将增长至 8.24 亿美元，年复合增长率为 7.75 %。同样。尽管 DBC 陶瓷基板的销售额增长显著，但其市场份额较低，主要原因是基板适配性以及其温度循环可靠性较差导致无法在大功率器件中应用。此外，DBC 陶瓷基板在湿法刻蚀工艺中面临的线路精度限制，也影响了其在小体积封装市场的应用。因此，提升 DBC 陶瓷基板在温度循环可靠性、陶瓷基板的适配性和线路精度，是扩大其市场份额的关键。 3.3 AMB 工艺 在新能源汽车行业中，SiC 模块备受重视，但当 SiC 功率器件的结温升高至 250 °C 时，由于 DBC陶瓷基板在高温条件下的温度循环可靠性很差，导致其应用受限[121]。因此，为解决这一问题，研究者开发了 AMB 陶瓷基板。AMB 工艺流程(参见图 11[8])如下：首先，在洁净的陶瓷基板上涂覆一层薄薄的焊料，随后将铜箔贴合在焊料上并放置在 800 oC 至 950 oC 的真空环境下使焊料熔化，待焊料冷却后即可形成稳固的连接。接下来，通过湿法刻蚀技术制作金属图案以满足大功率器件的电气连接需求。 鉴于常规金属与陶瓷基板间的润湿性较差，通常使用活性金属焊料改善润湿性以提高接头强度。活性金属焊料是指至少含有一种活性金属元素的焊料，当前主要活性元素为 Ti 及镧系元素[122,123]。AMB工艺中常用的活性焊料主要包括 Sn-Ag-Ti[124]和Ag-Cu-Ti[125]体系，其中 Ti 作为活性金属增强焊料与陶瓷间的润湿性，Sn 和 Ag 则起到降低熔点以及提高接头的导热性能的作用。 然而，AMB 工艺必须在高真空或保护气氛下实施，这限制了其工艺的适用性。为克服此局限性，研究者开发出可在大气环境中进行的反应空气钎焊(Reactive Air Brazing，RAB)技术。RAB 技术采用的钎焊填充金属主要由贵金属(如 Ag、Ag-Pd 合金[126])和金属氧化物(如 CuO[127]、V2O5[128]、Nb2O5[129]、SiO2[130]和 Al2TiO5[131])构成，从而赋予接头良好的抗氧化性能。在 RAB 过程中，金属氧化物能够附着于陶瓷基底表面并与之反应，通过熔融填充金属与界面的协同作用增强陶瓷基底的润湿性。同时，贵金属的优良延展性有助于缓解接头内部热应力，而金属氧化物的加入则有助于减少接头与陶瓷基体间由 CTE 差异引发的残余应力[132]。 高温钎焊工艺中，由于铜箔、焊料与陶瓷基板间 CTE 的不匹配，导致金属化基板内部积累残余应力，且该应力的大小与铜层、焊料及其反应层的厚度直接相关，通常随着厚度增加，残余应力相应增大[125,133]。为缓解这一问题，研究者采取了若干策略，如在焊料中添加改性粒子以调和CTE 的匹配性，或采用激光在陶瓷表面预置沟槽后再进行钎焊，这些方法都能在降低残余应力的同时增强接头强度[134,135]。同时，CTE 不匹配还会显著削弱 AMB 陶瓷基板的温度循环可靠性[116,136]，可通过优化焊料配方进行改善[125]。此外，陶瓷材料的韧性在温度循环可靠性中起着关键作用。Miyazaki 等人[97]通过对不同性能的陶瓷制备的 AMB 陶瓷基板进行温度循环(-40 °C 至 250 °C)可靠性实验，结果如表 10 所示。其中抗弯强度为 600 MPa、韧性为 8.0 MPa·m1/2 的Si3N4 基板金属化后循环 1000 次依然保持完好，而抗弯强度虽然为 980 MPa 但韧性降为 5.5 MPa·m1/2 的 Si3N4 基板金属化后经50 次温度循环就发生失效，以及韧性更低的 AlN 基板金属化后仅经 7 次循环就失效。由此得出结论，在评估温度循环可靠性时，陶瓷材料的韧性相较于抗弯强度更为敏感，因此，在满足强度的同时选用高韧性的陶瓷基板更契合 AMB 工艺的需求。 伴随新能源汽车技术向 800 V 电压平台的转型升级，主驱逆变器功率模块正逐步由硅基模块转向 SiC 模块，与此相适应，其支撑基板也由 DBC 陶瓷基板转为 AMB-Si3N4 基板，由此推动了 AMB-Si3N4 基板市场需求的持续增长。参考 2022 年 QYresearch 的研究报告[6]，当年全球 AMB 陶瓷基板市场的销售额已达到 4.33 亿美元，预计至 2029 年市场规模将跃升至 28.72 亿美元，对应年复合增长率为 26.0 %，凸显出 AMB 陶瓷基板在市场上的强劲增长趋势。 AMB 工艺具有设备、工艺简单、高可靠性、不受陶瓷基板限制等优点，是在大功率器件的应用中最具发展潜力的金属化工艺。然而，鉴于大功率电子器件行业的快速发展，对 AMB 的力学性能和长期运行可靠性提出了更高的标准，因此需要对其进行持续优化和提升。同时，AMB 陶瓷基板与DBC 陶瓷基板一样面临线路精度不足的技术瓶颈，若能开发新技术使其线路精度与 DPC 工艺相媲美，AMB 陶瓷基板将有望在未来替代其他同类基板，展现出巨大的应用潜力。 3.4 LAM 工艺 LAM 工艺通过激光束对含铝陶瓷基板进行选择性照射，被照射的陶瓷材料还原成活化的金属原子，随后将其浸入含 Cu2+的化学镀液中，活化原子促使 Cu2+还原并沉积在被照射的区域，形成金属线路图案[137]。 化学镀是一种无需外加电流的自催化氧化还原过程，通过溶液中的化学还原剂将金属离子还原为固体金属[138]，而这一还原过程的能量驱动来自于溶液中的化学还原剂[139]。通常镀液中的金属难以自发还原，通常需要催化剂作为中间媒介，以降低金属成核的活化能[140]。一旦催化剂颗粒成功沉积在基底表面，即可触发大范围的金属沉积。 LAM 工艺常用含铝基板进行加工，因为激光照射后可以形成活化的 Al 原子。但 Al 原子的催化性能并不理想，需要其它的催化剂来提高沉积效率。Bindra 等人[141]的研究表明，Pd和 Pt 在碱性介质中具有优异的催化性能。尽管 Pd 基催化剂在选择性活化方面存在局限性[142]，但 Pd 因其出色的催化活性而被 LAM 工艺优先选用[143]。因此，通常先在陶瓷基板上涂覆一层 PdCl2，激光照射后，PdCl2会分解成 PdO 和单质 Pd，二者均可作为化学镀铜的有效催化剂[144]。 当前，LAM 工艺在学术研究中主要关注提高线路精度和增强可靠性两个核心问题。激光照射产生的热效应会形成热影响区，热影响区也会形成少量的活化金属，导致线路增宽。为此，相较于纳秒激光，采用皮秒激光可以更精确地聚焦能量，形成狭窄而深入的活化区域，从而同步提高线路精度和金属层的结合强度[145]。此外，Lv 等人[144]在激光照射后利用王水(硫酸与硝酸体积比为 3:1 的混合溶液)选择性溶解热影响区内的活化原子后，再进行化学镀，有效减小了线路宽度。关于可靠性方面，DeSilva[137]等人发现，沉积铜层在 500 oC 退火处理后，其附着力可从初始的约 15 MPa 显著提升至 48 MPa。 LAM 工艺设计对激光参数、陶瓷基板特性和电镀工艺参数具有高度敏感性，尽管该技术结合了电镀铜的成本优势和 LAM 工艺的高线路精度的特点，但高昂的激光设备成本和化学镀带来的环境污染问题仍然是限制其进一步普及的重要原因。尽管面临这些挑战，LAM 技术仍在不断发展中，其在未来的应用前景仍值得期待。 3.5 TPC 工艺 TPC 技术利用丝网印刷工艺，在洁净陶瓷基板上涂覆粘性浆料，经历干燥后叠加印刷铜浆，并经再次干燥和烧结处理，可形成厚度介于 5 至 50 μm 的金属膜层[8,98]。对于需要更厚铜层的应用场合，须重复进行多次印刷、干燥及烧结。TPC 工艺通过消除湿法刻蚀过程，能够直接在陶瓷基板上印刷金属线路，有效降低了金属浆料的消耗。此外，通过对丝网印刷参数的精细化调控，TPC 工艺能够实现不同厚度的金属图案[146]。 TPC 工艺中，金属层与陶瓷基板的结合强度与烧结温度紧密相关。当烧结温度超过 925 oC 时，金属层与基板间的附着力低于 10 N/mm2，而在适宜的烧结条件下，附着力可提升至 30 N/mm2[147]。值得一提的是，与 DBC 陶瓷基板相比，TPC 陶瓷基板在温度循环可靠性方面展现出显著优势，其循环次数远超 DBC 陶瓷基板，且不依赖于特定的基板类型[114]。然而，印刷的金属层内部存在的孔隙和杂质问题导致金属层电阻增大，这是 TPC 技术有待解决的关键问题之一。 尽管面临电阻增加与烧结工艺优化的挑战，鉴于 TPC 陶瓷基板在基板可靠性方面的突出优势，其在众多领域中仍展现出广泛的潜在应用前景。为进一步推进 TPC 技术的应用，有必要继续探索和解决其电阻过高和烧结工艺繁琐等相关问题。 4 结论与展望 本文综合评析了电子封装中的平面陶瓷基板及其金属化技术的研究进展与特性。结果显示，Al2O3基板因热导率和强度局限，适用于低功耗场合；SiC 基板尽管热导率优越，但强度低、介电常数高，尚存改进空间；AlN 基板热导率高，但力学性能有待提升；Si3N4 基板热导率潜力大，尽管尝试多种办法制备，但实际热导率偏低。后三者的热导率提升的关键在于控制晶格氧缺陷、第二相含量、晶粒尺寸等要素，可采取亲氧添加剂、高温烧结、延长烧结或热处理时间以及采用多步烧结等方式优化。 关于金属化工艺，DPC 工艺实现了高精度线路，但受限于线路薄、高昂的设备成本及环境污染；DBC 工艺简易，但面临温度循环可靠性性差和孔隙问题；AMB 工艺展现出优秀的温度循环可靠性，应用前景广泛，当前核心在于开发新焊料、强化接头强度与可靠性；LAM 工艺也具有高线路精度的优势，但设备成本较高且也存在环境污染的风险；TPC 工艺虽简单可靠，但受限于高电阻和厚铜层制备过程繁琐。 未来发展趋势上，建议首先运用人工智能优化高热导陶瓷的成分设计与工艺流程，提升效率；其次，针对现有高热导陶瓷高温烧结难题，开发适于工业化规模生产的低温快速烧结技术。上述的基板中，Si3N4 基板具备最大的发展潜力，需攻关提升其实测热导率至 60 %理论最大值以上，同时保持高强度和韧性。此外，DPC 和 LAM 工艺需研发技术以增加线路厚度，探讨化学替代法降低成本；DBC 和 AMB 工艺需研发更高精度的刻蚀技术；TPC 工艺则需革新材料和工艺以降低电阻及简化工艺流程。 总之，期望未来能研制出具备高导热、高强度、高韧性、低 CTE 以及低介电常数的陶瓷基板，结合厚线路的 DPC 工艺或高线路精度的 AMB 工艺，有效满足大功率器件的各种封装需求。
一、锂离子电池介绍 锂离子电池作为一种二次电池，也就是我们日常所说的充电电池，其工作原理主要基于锂离子在正极与负极之间的往复运动。在充电环节，锂离子会从正极脱出，穿越电解质后嵌入负极，使得负极呈现富锂状态；而放电时，整个过程恰好逆向进行，锂离子又从负极脱嵌，回流至正极。 值得注意的是，锂离子电池有着较为固定的电压适用范围，通常处于 2.8V 至 4.2V 之间，其中典型工作电压为 3.7V。一旦电池的工作电压低于 2.8V 或者超出 4.2V，便极有可能对电池造成不可逆的损坏，进而影响其性能与使用寿命。 二、1C和0.1C的概念 在电池相关参数中，电池容量的度量单位是毫安时（mAh），它直观反映了电池能够储存电量的多少。而另一个关键指标 “C”，代表的则是电池充放电的倍率。举个例子来说，倘若有一块电池的容量标注为 2000mAh，那么当以 1C 的倍率进行放电操作时，这意味着此时的放电电流强度为 2000mA；同理，若按照 0.1C 的倍率放电，放电电流大小就会是 200mA。在充电过程中，这一规则同样适用，只不过电流方向相反，依据不同的充放电倍率设定，来精准调控流入或流出电池的电流大小，进而满足多样化的使用需求。三、锂离子电池的优缺点锂离子电池的主要优点： 锂离子电池相较于传统电池优势显著，堪称新一代电池领域的佼佼者。 首先，在电气性能方面表现卓越，它具备较高的电压输出，能为各类电子设备提供强劲动力，与此同时，能量密度颇为可观，相同体积或重量下，相较于其他电池可储存更多电能，续航能力更胜一筹。 从使用寿命考量，锂离子电池的循环寿命令人瞩目，常规条件下能够稳定循环 500 次之多，优质产品甚至可达 1000 次以上，这意味着长期频繁使用后，依然能维持稳定性能，极大降低了更换电池的频次与成本。 自放电特性同样出色，即便在室温环境下将其充满电后静置储存 1 个月，自放电率也仅在 2% 左右，电量损耗微乎其微，随时取用都电力满满，大大提高了电池的实用性与便捷性。 快速充电能力更是一大亮点，以 1C 的充电倍率进行充电时，短短时间内，电池容量便能迅速达到标称容量的 80%，极大缩短了充电等待时长，契合当下快节奏生活对电子设备即时使用的需求。 工作温度适应性广泛，一般能在 -25°C 至 45°C 的区间内稳定运行，随着技术不断革新，未来有望进一步突破至 -40°C 至 70°C，无论是严寒极地还是酷热沙漠，都能确保设备正常运转，拓宽了电池的应用场景。 尤为值得一提的是，锂离子电池完全没有像 Ni - Cd、Ni - Mh 电池那样的记忆效应，使用者在充电前无需刻意将剩余电量耗尽，随心充电即可，避免因不了解记忆效应而误操作导致电池寿命缩短的问题，使用起来更加省心。 最后，从环保角度审视，锂离子电池堪称绿色能源典范，相比较 Ni - Cd、Ni - Mh 电池，它不含镉、汞等有害重金属，在生产、使用直至废弃处理的全生命周期内，都极大减少了对环境的污染风险，为可持续发展助力。 锂离子电池的主要缺点： 锂离子电池虽具备诸多优势，但也并非十全十美，仍存在一些亟待攻克的短板。 其一，成本居高不下。从原材料的采购，到复杂精细的生产工艺，诸多环节都推高了其制造成本，使得终端售价相对昂贵，这在一定程度上限制了它在对价格敏感型市场领域的大规模普及。 其二，为确保安全、稳定运行，锂离子电池必须配备保护电路板。在充放电过程中，一旦发生过充现象，电池内部的化学物质会因过度反应而失衡，引发电池鼓包、性能衰退甚至爆炸等严重后果；而过放同样危险，会致使电池极板硫化、容量不可逆损失，因此，过充与过放保护功能至关重要，不可或缺。 其三，在放电性能方面，锂离子电池存在局限性，难以承受大电流放电工况。一般情况下，其放电电流被限制在 0.5C 以下，这是因为过大的电流会使电池内部急剧发热。过高的温度不仅会加速电池内部材料的老化、缩短电池寿命，还可能触发一系列热失控反应，进而威胁到设备及使用者的安全。 其四，安全性问题仍是悬在锂离子电池头上的 “达摩克利斯之剑”。由于电池内部的化学体系较为复杂，在某些极端条件下，如高温、挤压、短路等，电池容易发生爆炸、起火事故，给人们的生命财产安全带来潜在风险。这也促使科研人员持续投入精力，研发更先进的安全防护技术与电池体系，力求从根本上解决这一隐患。 四、锂电池和锂离子电池的区别 锂电池与锂离子电池实则分属于两个不同范畴，二者存在诸多显著区别，具体如下： 首先聚焦于电极材料层面，锂电池采用二氧化锰或者亚硫酰氯作为正极材料，负极则选用金属锂，这种独特的材料组合构成了其基本的电化学架构。与之不同的是，锂离子电池虽同样归类于锂电池大家族，但其正极是以含锂的化合物担纲，更为关键的是，在整个充放电进程中，电池内部不会出现金属锂单质，仅有锂离子穿梭于正负极之间，凭借这种巧妙的锂离子迁移机制来实现电能的存储与释放。 再从充放电特性加以区分，锂电池属于典型的一次电池，也就是我们常说的 “一次性用品”，它在实际使用场景下既可以保持连续不断地放电，也能按需间歇放电，然而一旦内部所储存的电能消耗殆尽，便彻底失去 “生命力”，无法像二次电池那样通过外接电源进行充电以恢复电量，使用便利性存在一定局限。相较而言，锂离子电池具备可充放电的二次电池特性，如同一个电能 “储蓄罐”，电量耗尽后只需接入合适的充电器，就能重新吸纳电能，恢复活力，从而可多次循环使用，大大拓展了其应用广度与深度。 五、锂离子电池充电模式 锂离子电池存在一种堪称理想的充电模式，也就是广为人知的 CC CV 模式，即恒流 - 恒压模式，通过下面这组图形能让我们更为直观地理解其充电过程。图中，灰色线条代表电池电压的变化走势，绿色线条用于呈现充电电流的动态情况，红色线条则直观反映电池容量的增减。 充电伊始，当电池电压处于较低水平时，系统开启恒流充电阶段，此时电池会以一个预先设定好的固定恒定电流源源不断地接收电能，快速提升电量。随着充电的持续推进，电池电压逐步攀升，直至达到 4.2V 这一关键阈值。鉴于电池电压绝不允许超过 4.2V，一旦触及该数值，充电模式便会立即由恒流切换至恒压模式。进入恒压阶段后，为了维持电池电压稳定在 4.2V，系统会智能调控，逐渐减小充电电流，以适配电池此时的充电需求，这个过程中充电电流持续衰减，直至近乎归零。当电池电压稳稳保持在 4.2V，同时充电电流也恰好降为 0 时，这便意味着电池已成功充满电，完成了一次高效且安全的充电过程。 锂离子电池CC CV模式 在锂离子电池的充电领域，确保电池的绝对安全是重中之重，因而实际应用中的充电模式设计得极为精细。倘若对初始状态不明的电池贸然直接采用恒流充电，将会对电池造成极大的损害风险，所以会依据电池不同的电压区间来实施差异化的充电策略。 首先是测试模式，当检测到电池电压低于 2V 时，为避免对电池造成冲击，系统会启动一种特殊的唤醒机制，以极其微小的电流缓缓注入电池，促使电池从深度 “休眠” 状态苏醒过来，为后续充电做好准备。 接着进入涓流充电阶段，也称作预充模式。此时电池电压处于 2V 至 3V 区间，考虑到电池此时的脆弱性，充电电流会被严格控制，仅采用恒流充电电流的 1/10 或者 1/20，以温和、缓慢的方式为电池预先补充少量电能，确保电池内部化学反应平稳启动，避免过激反应。 待电池电压上升至 3V 以上，电池状态趋于稳定，便开启恒流充电环节，以恒定的较大电流对电池实施快速充电，让电池电量得以高效提升。 而当电池电压攀升至 4.2V 这一关键节点时，为防止电池过压受损，系统会无缝切换至恒压充电模式，确保电池电压稳定维持在 4.2V，同时逐渐降低充电电流，保障电池安全且满充。 像德州仪器（TI）提出的充电方案更是精细入微，当电池电压达到 4.2V ，且充电电流处于较低水平但尚未归零，约为恒流充电电流的 1/10 时，便果断停止充电操作。停止充电后，由于电池内部的轻微自放电等因素，电池电压会自然回落，通常降低到 4.16V 或者 4.17V ，此时电池实则已处于满充状态，整个充电过程在保障电池安全的基础上实现了高效、精准的电量补充。 锂离子电池充电的三个阶段 六、为什么锂离子电池充电截止电压是4.2V 根据下图所示的电池循环寿命和充电截止电压的关系可知，在电池使用初期的循环周期内，若充电截止电压略高于正常水平，虽能在单个周期内获得更高的电量输出，但这种优势仅能维持较短时间。而当电池的充电截止电压比推荐的最高值 4.2V 还要高出 50mV 甚至 100mV 时，由于每个循环周期都存在轻微的过度充电情况，会致使电池老化速度显著加快。一言以蔽之，当电池的充电截止电压超过 4.2V 时，超出的电压越高，电池的循环寿命就越短，并且电池容量下降的速度也会越快。锂离子电池循环寿命和电池充电截止电压的关系 七、锂离子电池放电曲线通过观察锂离子电池在不同放电电流下的放电曲线能够清晰发现：随着放电电流逐步增大，电池容量的衰减速度明显加快，这就导致最终能够释放出的容量大幅降低，使得电池的标称容量难以得到充分利用。进一步探究原因可知，当电池容量处于较低水平时，其内阻会出现较大幅度的增加，而倘若此时采用较大的电流进行放电操作，电池内阻的增长速度将会进一步加剧，形成恶性循环，严重影响电池性能。锂离子电池不同放电电流下的放电曲线 仔细研究不同温度下锂离子电池的放电曲线，便能洞察其中规律：环境温度越低，电池的容量衰减速率就越快，在放电过程中能够释放的电量越少，放电的充分程度也就越低。这背后的原因在于，当电池所处的温度降至 0 度以下时，电池内部的活性成分活跃度急剧减弱，如同进入 “休眠” 状态，使得电池内阻相应增大，阻碍了电流的顺畅传输，进而影响电池的放电性能。 然而，温度过高同样会给电池带来危害。当外界环境温度超出适宜范围，过高的热量会冲击电池内部的化学结构，加速材料老化、引发副反应，甚至可能导致电池鼓包、漏液等严重损坏情况，降低电池的使用寿命与安全性。因此，为保障电池的性能与寿命，维持一个适宜的温度环境至关重要。 锂离子电池不同温度下的放电曲线 八、锂离子电池循环次数在实际中，每当累积的放电容量等于设计容量时，则记为循环一次。锂离子电池循环寿命依据国标要求，锂离子电池循环寿命的测试有着明确且严谨的条件设定：测试需在稳定的 25 度室温环境下展开，首先以 1C 的充电倍率持续充电 150 分钟，随即切换至恒流 1C 的放电电流，直至电池电压降至 2.75V 时截止，如此完整的充放电过程记作一次循环。特别要注意的是，当某次放电过程所用时间小于 36 分钟时，便意味着此次试验到达终点。同时，按照这种深充深放的特定测试模式，锂离子电池的循环次数务必超过 300 次，并且在完成 300 次循环之后，电池容量依然要维持在初始容量的 60% 以上，以此确保锂离子电池具备足够的耐用性与稳定性，满足市场应用需求。 九、锂离子电池工作电压范围锂离子电池的工作电压有一个范围，不同电芯厂家制造会有所不同，但是差别不大。 总结：希望通过本文的介绍，你已经对锂离子电池有了全面深入的了解。锂离子电池在现代科技生活中占据着无可替代的重要地位。尽管它还存在成本较高、安全性有待提升等问题，但随着技术的持续革新，相信在未来，锂离子电池将在能量密度、充放电速度、循环寿命等关键性能指标上取得更大突破，从而为便携式电子设备、电动汽车、储能系统等诸多领域带来更强劲的动力支持与更持久的续航保障，进一步推动全球科技与生活方式的深刻变革。
晶振概述 晶振一般指晶体振荡器。晶体振荡器是指从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片），石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振； 而在封装内部添加IC组成振荡电路的晶体元件称为晶体振荡器。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。 晶振工作原理 石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片，在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。 若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。 在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。 当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电容C，它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关，一般约几个皮法到几十皮法。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来等效。一般L的值为几十豪亨到几百豪亨。晶片的弹性可用电容C来等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1皮法。晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R来等效，它的数值约为100欧。由于晶片的等效电感很大，而C很小，R也小，因此回路的品质因数Q很大，可达1000～10000。加上晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。 计算机都有个计时电路，尽管一般使用“时钟”这个词来表示这些设备，但它们实际上并不是通常意义的时钟，把它们称为计时器可能更恰当一点。计算机的计时器通常是一个精密加工过的石英晶体，石英晶体在其张力限度内以一定的频率振荡，这种频率取决于晶体本身如何切割及其受到张力的大小。有两个寄存器与每个石英晶体相关联，一个计数器和一个保持寄存器。石英晶体的每次振荡使计数器减1。当计数器减为0时，产生一个中断，计数器从保持寄存器中重新装入初始值。这种方法使得对一个计时器进行编程，令其每秒产生60次中断（或者以任何其它希望的频率产生中断）成为可能。每次中断称为一个时钟嘀嗒。 晶振在电气上可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率为串联谐振，较高的频率为并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。 晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，请注意一般IC的引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。一般的晶振的负载电容为15皮或12.5皮，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个22皮的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。
在高压PCB设计中，开关电源PCB设计中要注意电气间隙和爬电距离，距离不够会引起漏电。 通用标准（不同行业有区别，如灯具，电动车等），需要经过认证的产品：按照标准查表设计 GB4943.1对应EC60950.1(IEC62368-1)，GB/T16935.1-2008对应IEC60664.1 IPC-2221 电气间隙和爬电距离在PCB的设计中，影响电气性能，安全和可靠性 电气间隙和爬电距离与电压，绝缘材料（介电常数，耐电弧性能），温湿度，污染，导电有关。 电气间隙 爬电地址 根据IEC60950标准定义 定义 通过空气测量两个导电对象之间或导电部件和设备边界表面之间的最短路径空气间隙 通过沿着绝缘材料表面测量两个导电物体之间的最短路径爬电距离 不足的解决办法 开槽1mm问题 电气间隙不够，开槽不一定能解决电气间隙问题 大于1mm的开槽能增加表面爬电距离不能增加电气间隙 电气间隙不足解决方案 1通过绝缘材料并且在可能的情况下通过双侧搭建实现间隔； 2高低电压隔离，顶部放置高电压，底部放置低电压。 爬电距离稀疏的解决方案 a图表示多层表面，电爬距离是在节点之间PCB表面上测量； b图表示V形槽可以增加节点之间的表面距离，增加的长度仅沿沿岸测量其减少到1mm宽度的点； c图表示多层，进一步可以增加表面距离，但宽度必须为1mm或更大，加工成本更贵； d图表示在PCB上直接开，槽大于1mm的槽们可以藏家表面距离，简单实用。 电子钯及PCB电气隔离距离参考 变压器内部的电气隔离距离参考 变压器内部的电气隔离距离是指变压器挡墙的宽度的总和，如果变压器挡墙的宽度为3mm，那么变压器的电气隔离距离等于6mm（变压器挡墙的宽度相同）。如果变压器没有墙，那么变压器的隔离距离就等于所用胶纸的厚度。另外，对于AC-DC电源，变压器初、间结构应用三层胶纸隔离，DC-DC电源，只可用二层胶纸隔离。以下数值未包括裕量： 注：变压器的引脚如果没有套上绝缘套管，那么在引脚处的隔离距离也可能绕过胶纸加护墙的厚度，所以变压器的引脚需要套上绝缘套管且套管要穿越挡墙。 保险丝前面L、N线之间的电气间隙=2.0mm。 保险丝后面L、N线之间的电气间隙=1.5mm。 220V电气间隙和爬升电距离结论 电气间隙>2mm 爬电距离>2.5mm 如果遇到无法满足爬电距离的位置，开>1mm槽满足设计需求，防止漏电。
1、嵌入式处理器基础 典型的微处理器由控制单元、程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、数据通道、存储器等组成 。 指令执行过程一般分为： 取指： 从存储器中获得下一条执行的指令读入指令寄存器； PC: 程序计数器, 总是指向下一条将要执行的指令； IR: 指令寄存器，用于保持已取得指令；如图： 译码： 解释指令，决定指令的执行意义；如图： 执行： 从存储器向数据通道寄存器移动数据； 通过算术逻辑单元ALU进行数据操作；如图： 存储： 从寄存器向存储器写数据。如图： 在一些微处理器上，如ARM系列处理器、DSP等，指令实现流水线作业，指令过程按流水线的数目来进行划分。如5级流水线的处理器将指令分5个阶段执行。 （1）按存储结构分：冯·诺依曼体系结构和哈佛体系结构 冯·诺伊曼结构也称普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。 处理器，经由同一个总线传输来访问程序和数据存储器，程序指令和数据的宽度相同。如X86系列、ARM7等，如图： 哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构，目的是为了减轻程序运行时的访存瓶颈。哈佛结构的微处理器通常具有较高的执行效率。 Microchip公司的PIC系列芯片，摩托罗拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和ARM公司的ARM9、ARM10和ARM11 等。如图： 按指令类型可分为：复杂指令集（CISC）处理器和精简指令集（RISC）处理器 。 CISC：复杂指令集（Complex Instru ction Set Computer）； 具有大量的指令和寻址方式，那么就需要更多的解释器。 8/2原则：80%的程序只使用20%的指令； 大多数程序只使用少量的指令就能够运行。 CISC具有如下显著特点： (1) 指令格式不固定，指令长度不一致，操作数可多可少； (2) 寻址方式复杂多样，以利于程序的编写； (3) 采用微程序结构，执行每条指令均需完成一个微指令序列； (4) 每条指令需要若干个机器周期才能完成，指令越复杂，花费的机器周期越多。 RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer)：指令数目少，在通道中只包含最有用的指令；执行时间短，确保数据通道快速执行每一条指令；使CPU硬件结构设计变得更为简单；每条指令都采用标准字长。 2、ARM处理器体系架构 ARM即Advanced RISC Machines的缩写。 1985年4月26日，第一个ARM原型在英国剑桥的Acorn计算机有限公司诞生。 20世纪80年代后期，ARM很快开发成Acorn的台式机产品，形成英国的计算机教育基础。 1990年成立了Advanced RISC Machines Limited。 20世纪90年代，ARM32位嵌人式RISC（Reduced Instruction Set Computer）处理器扩展到世界范围，占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领先地位。 目前己经占有75%以上的32位嵌入式产品市场。 32位RISC处理器受到青睐，领先的是ARM嵌入式微处理器系列。 ARM公司虽然只成立20多年，但在1999年因移动电话火爆市场，其32位RISC处理器占市场份额超过了50%，2001年初，ARM公司的32位RISC处理器市场占有率超过了75%。ARM公司是知识产权供应商，是设计公司。由合作伙伴公司来生产各具特色的芯片。 ARM处理器特点： （1）ARM指令是32位定长的（除AArch64架构部分增加指令为64位外） （2）寄存器数量丰富（37个寄存器） （3）普通的Load/Store指令 （4）多寄存器的Load/Store指令 （5）指令的条件执行 （6）单时钟周期中的单条指令完成数据移位操作和ALU操作 （7）通过变种和协处理器来扩展ARM处理器的功能 （8）扩展了16位的Thumb指令来提高代码密度 ARM的命名规则, 大致分成两类类： 基于ARM Architecture版本的“处理器系列”命名规则； 基于ARM Architecture版本的“处理器型号”命名规则。 ARMv6 架构，引进了包括单指令多数据(SIMD)运算在内的一系列新功能。 ARMv6-M 架构，为低成本、高性能设备而设计，向以前由8位设备占主导地位的市场提供32位功能强大的解决方案。如Cortex™-M0和Cortex-M1。 ARMv7架构，所有ARMv7架构处理器都实现了Thumb-2 技术（一个经过优化的16/32位混合指令集），此架构分为3类处理器：Cortex-A -应用处理器、Cortex-R - 实时处理器、Cortex-M - 微控制器。 ARMv8架构，ARMv8-A将64位体系结构支持引入ARM体系结构中，其中包括：64位通用寄存器、SP（堆栈指针）和 PC（程序计数器），64位数据处理和扩展的虚拟寻址，兼容32位处理。 ARMv9架构，最重大的升级在于AI和安全，在兼容ARMv8的基础上，提升了安全性，增加了矢量计算、机器学习和数据信号处理等多方面能力，性能表现也将得到极大幅度的提升。 1）ARM数据类型 （1）双字节（Double-Word）：64位 （2）字（Word）：在ARM体系结构中，字的长度为32位。 （3）半字（Half-Word）：在ARM体系结构中，半字的长度为16位。 （4）字节（Byte）：在ARM体系结构中，字节的长度为8位。 2）ARM处理器存储格式 作为32位的微处理器，ARM体系结构所支持的最大寻址空间为4GB。 ARM体系结构可以用两种方法存储字数据，分别为大端模式和小端模式。 大端模式（高地高低）：字的高字节存储在低地址字节单元中，字的低字节存储在高地址字节单元中。 3）ARM处理器工作状态 从编程的角度来看，ARM微处理器的工作状态一般ARM和Thumb有两种，并可在两种状态之间切换。 （1）ARM状态：此时处理器执行32位的字对齐ARM指令，绝大部分工作在此状态。 （2）Thumb状态：此时处理器执行16位的半字对齐的Thumb指令。 THUMB指令的特点： THUMB代码所需空间为ARM代码的70%； THUMB代码所使用的指令数比ARM代码多40%； 用32位存储器，ARM代码比THUMB代码快40%； 用16位存储器，THUMB代码比ARM代码快45%； 使用THUMB代码，外部存储器功耗比ARM代码少30% 4）ARM处理器工作模式 5）ARM Cortex-A处理器工作模式 6） Cortex-A寄存器组 34个通用寄存器，包括各种模式下的R0-R14和共用的R15程序计数器(PC)，这些寄存器都是32位的。8个状态寄存器，Hyp模式独有一个ELR_Hyp寄存器。 7）程序状态寄存器CPSR和SPSR 和其他处理器一样，ARM有程序状态存储器来配置处理器工作模式和显示工作状态。ARM处理器有两个程序状态寄存器CPSR （Current Program Status Register，当前程序状态寄存器）和SPSR （Saved Program Status Register，备份的程序状态寄存器）。 CPSR可在任何运行模式下被访问，它包括条件标志位、中断禁止位、当前处理器模式标志位以及其他一些相关的控制和状态位。 每一种运行模式下都有一个专用的物理状态寄存器，称为SPSR为状态寄存器。 （1）N（Negative）：当用两个补码表示的带符号数进行运算时，N=1表示结果为负，N=0表示结果为正数或零 （2）Z（Zero）：Z=1表示运算结果为0，Z=0表示运算结果非零 （3）C（Carry）：有4种方法可以设置C的值： 1）加法指令（包括比较指令CMP） 2）当运算产生进位时（无符号数溢出），C=1，否则C=0 3）减法运算（包括比较指令CMP） 4）当运算产生了借位（无符号数溢出），C=0，否则C=1 对于包含移位操作的非加/减运算指令，C为移出值的最后一位。对于其他的非加/减运算指令，C的值通常不变。 （4）V（Overflow）：有2种方法设置V的值： 1）对于加/减法运算指令，当操作数和运算结果为二进制的补码表示的带符号数时，V=1表示符号位溢出。 2）对于其他的非加减法运算指令，V的值通常不变。 （5）I（Interrupt Request）：I=1表示禁止响应irq，I=0表示允许响应 （6）F（Fast Interrupt Request）：F=1表示禁止响应fiq，F=0表示允许响应 （7）T（Thumb）：T=0表示当前状态位ARM状态，T=1表示为Thumb状态 （8）M4-M0：表示当前处理器的工作模式 8）工作模式的切换条件 （1）执行软中断（SWI）或复位命令（Reset）指令。如果在用户模式下执行SWI指令，CPU就进入管理（Supervisor）模式。 （2）有外部中断发生。如果发生了外部中断，CPU就会进入IRQ或FIQ模式。 （3）CPU执行过程中产生异常。最典型的异常是由于MMU保护所引起的内存访问异常，此时CPU会切换到Abort模式。如果是无效指令，则会进入Undefined模式。 （4）有一种模式是CPU无法自动进入的，这种模式就是System模式，要进入System模式必须由程序员编写指令来实现。要进入System模式只需改变CPSR的模式位为System模式对应的模式位即可。 （5）在任何特权模式下，都可以通过修改CPSR的MODE域来进入其他模式。不过需要注意的是由于修改的CPSR是该模式下的影子CPSR，即SPSR，因此并不是实际的CPSR，所以一般的做法是修改影子CPSR，然后执行一个MOVS指令来恢复执行某个断点并切换到新模式。 3、ARM处理器内存管理 1）什么是内存映射 内存映射指的是在ARM存储系统中，使用内存管理单元(MMU)实现虚拟地址到实际物理地址的映射，如图所示。 2）为什么要内存映射 A32架构的ARM的地址总线为32位，故CPU可寻址范围为0x00000000~0xffffffff寻址空间为4GB，所有的内部和外部存储或者外设单元都需要通过对应的地址来操作，不同芯片外设的种类数量寻址空间都不一样，为了能让内核更方便的管理不同的芯片设计，ARM内核会先给出预定义的存储映射。 芯片设计公司需要根据内核提供的预定义的存储器映射来定义芯片内部外设和外部的保留接口，这样做的好处是极大地减少了同一内核不同芯片间地址转化的麻烦（CPU操作统一的虚拟地址，实际物理地址交由MMU管理）。 3）位带操作 （1）什么是位带操作 举个简单的例子，在使用51单片机操作P1.0为低电平时我们知道这背后实际上就是往某个寄存器某个比特位中写1或0的过程，但在CPU操作的过程中每一个地址所对应的都是一个8位字节，怎么实现对其中某一位的直接操作，这就需要位带操作的帮助。 （2）哪些地址可以进行位带操作 上图中有两个区中实现了位带。其中一个是 SRAM 区的最低 1MB 范围（Bit band region），第二个则是片内外设区的最低 1MB 范围。 4）寄存器的地址计算 在ARM中所有的外设地址基本都是挂载在AHB或者APBx总线上，因此我们往往采用基地址+偏移地址+结构体的方式，来快速明了计算某一外设具体寄存器的地址，如图所示。 5）集成外设寄存器访问方法
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