高功率器件設(shè)備散熱用陶瓷基板 | 晟鵬耐高溫高導(dǎo)熱絕緣片

關(guān)于陶瓷材料，美國等西方國家很早便開始了Al2O3陶瓷的研究與應(yīng)用，還開展了Al2O3陶瓷金屬化等領(lǐng)域的研究，這為Al2O3陶瓷在電子封裝領(lǐng)域的應(yīng)用提供了更加完善的技術(shù)支持和更加可靠的應(yīng)用性能。

而日本京瓷也很早便開始了陶瓷基板的研究，據(jù)日本京瓷創(chuàng)始人稻盛和夫自傳中介紹：1966年4月，喜訊傳來。我們得到了期望已久的IBM公司的訂單——2500萬個用于IC的氧化鋁基板（集成電路用的電路板）。和我們一起競爭的是代表德國陶瓷制造業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)盧臣泰公司和德固賽公司。

這可是1.5億日元的大宗訂單，憑此公司年銷售額將可達到5億日元。公司上下一片沸騰，大辦火鍋聚會，吃完后還不盡興，又一起殺到八日市的酒館街上海喝一通，好不熱鬧。

......

為此，我們立刻配備了30臺自動壓力機、2臺大型電子爐、測量精度用的萬能投影機等必要的最新機器。并且我親臨一線指揮，負責從原料的調(diào)和、成型到燒成所有的工序。稻盛和夫在自傳中表示：“京瓷基板神話”由此誕生。”

陶瓷基板的現(xiàn)狀：材料多樣化、結(jié)構(gòu)集成化

近年來，電動汽車、電力機車以及半導(dǎo)體照明、航空航天、衛(wèi)星通信等進入高速發(fā)展階段，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(dǎo)體器件損壞而失效——對于電子器件而言，通常溫度每升高10℃，器件有效壽命就降低30%~50%。

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(yīng)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(dǎo)熱性能脫穎而出，是符合當下高功率器件設(shè)備所需的性能要求。

氧化鋁陶瓷具有原料來源豐富、價格低廉、絕緣性高、耐熱沖擊、抗化學腐蝕及機械強度高等優(yōu)點，是一種綜合性能較好的陶瓷基片材料，占陶瓷基片材料總量的80%以上。但由于其熱導(dǎo)率相對較低（99%氧化鋁熱導(dǎo)率約為30W/（m·K）），熱膨脹系數(shù)較高，一般應(yīng)用在汽車電子、半導(dǎo)體照明、電氣設(shè)備等領(lǐng)域。
隨著應(yīng)用研究的不斷深入，更多的陶瓷材料受到了科研及產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。

氮化鋁陶瓷熱導(dǎo)率為氧化鋁陶瓷的6~8倍，但熱膨脹系數(shù)只有其50%，此外還具有絕緣強度高、介電常數(shù)低、耐腐蝕性好等優(yōu)勢。除了成本較高外，氮化鋁陶瓷綜合性能均優(yōu)于氧化鋁陶瓷，是一種非常理想的電子封裝基片材料，尤其適用于導(dǎo)熱性能要求較高的領(lǐng)域。

氮化鋁基板現(xiàn)有陶瓷基板材料中，Si3N4陶瓷基板以其硬度高、機械強度高、耐高溫和熱穩(wěn)定性好、介電常數(shù)和介質(zhì)損耗低、耐磨損、耐腐蝕等優(yōu)異的性能，被認為是綜合性能最好的陶瓷材料，目前在IGBT模塊封裝中得到青睞，并逐步替代Al2O3和AlN陶瓷基板。

氮化硅基板除了上述陶瓷材料外，氧化鈹（BeO）、碳化硅（SiC）、氮化硼（BN）等也都可作為陶瓷基板材料。

（a）SiC陶瓷基片和（b）BN陶瓷基片

其中，BeO粉體具有毒性、燒結(jié)溫度高等原因限制了氧化鈹?shù)耐茝V應(yīng)用；SiC多晶體熱導(dǎo)率僅為67W/（m·K），此外，SiC材料介電常數(shù)為40，是AlN陶瓷的4倍，限制了其高頻應(yīng)用。BN材料具有較好的綜合性能，但作為基片材料，它沒有突出優(yōu)點，且價格昂貴，與半導(dǎo)體材料熱膨脹系數(shù)也不匹配，目前仍處于研究中。

發(fā)展至今，從結(jié)構(gòu)與制作工藝而言，陶瓷基板發(fā)展了HTCC、LTCC、TFC、DBC、DPC等多種形式。

來源：熱管理材料整理

HTCC/LTCC基板采用多層生胚片疊加（金屬通孔對準）后燒結(jié)制備，因此可實現(xiàn)基板內(nèi)垂直互連，提高封裝集成度。DPC陶瓷基板可以采用激光打孔（孔徑一般為60μm~120μm）和電鍍填孔技術(shù)制備金屬通孔，由于孔內(nèi)電鍍填充致密銅柱，導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)良，因而可實現(xiàn)陶瓷基板上下線路層垂直互連。在此基礎(chǔ)上，通過電鍍增厚等技術(shù)制備圍壩，可得到含圍壩結(jié)構(gòu)的三維陶瓷基板。

廣闊的市場前景

全球陶瓷基板市場火爆，市場規(guī)模穩(wěn)步增加
根據(jù)華西證劵研究所報告顯示，2020年全球陶瓷基板市場規(guī)模達到89億美元，預(yù)計2026年全球規(guī)模將達到172.9億美元，漲幅達到94.27%，市場前景廣闊。

來源：《熱管理材料》整理
高功率IGBT模塊持續(xù)推動DBC/AMB陶瓷基板市場擴大

DBC陶瓷基板具有高強度、導(dǎo)熱性能強以及結(jié)合穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)性能，而AMB陶瓷基板是在DBC的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，結(jié)合強度相對更高。近年來隨著新能源汽車、光伏儲能行業(yè)的快速發(fā)展，IGBT功率模塊的需求快速增長，對于DBC、AMB陶瓷基板的需求也不斷增加。目前DBC陶瓷基板主要生產(chǎn)廠家有羅杰斯、賀利氏集團、高麗化工等；AMB陶瓷基板主要生產(chǎn)廠家有羅杰斯、日本京瓷、日本丸和等。

LED需求量提高LED芯片對于散熱要求極為苛刻，車載照明將進一步提升AlN基板的需求。目前單芯片1W大功率LED已產(chǎn)業(yè)化，3W、5W，甚至10W的單芯片大功率LED也已推出，并部分走向市場。這使得超高亮度LED的應(yīng)用面不斷擴大，從特種照明的市場領(lǐng)域逐步走向普通照明市場。由于LED芯片輸入功率的不斷提高，對這些功率型LED的封裝技術(shù)提出了更高的要求。而傳統(tǒng)的基板無法承載高功率的熱能，氮化鋁陶瓷具有良好的導(dǎo)熱和絕緣性能，能夠提高LED功率水平和發(fā)光效率。功率LED已經(jīng)在戶外大型看板、小型顯示器背光源、車載照明、室內(nèi)及特殊照明等方面獲得了大量應(yīng)用。

第三代半導(dǎo)體SIC加速上車-AMB急速獲益

SiC加速上車，AMB隨之受益，Si3N4陶瓷基板的熱膨脹系數(shù)與第3代半導(dǎo)體襯底SiC晶體接近，使其能夠與SiC晶體材料匹配性更穩(wěn)定。雖然國內(nèi)AMB技術(shù)有一定積累，但產(chǎn)品主要是AIN-AMB基板，受制于Si3N4基片技術(shù)的滯后，國內(nèi)尚未實現(xiàn)Si3N4-AMB的商業(yè)化生產(chǎn)，核心工藝被美國、德國和日本等國掌握。

結(jié)束語

鑒于陶瓷具有良好的導(dǎo)熱性、耐熱性、高絕緣、高強度、低熱脹、耐腐蝕和抗輻射等優(yōu)點，陶瓷基板在功率器件和高溫電子器件封裝中得到廣泛應(yīng)用。目前，陶瓷基片材料主要有Al2O3、AlN、Si3N4、SiC、BeO和BN。由于Al2O3和AlN具有較好的綜合性能，兩者分別在低端和高端陶瓷基板市場占據(jù)主流，而Si3N4基板由于抗彎強度高，今后有望在高功率、大溫變電力電子器件（如IGBT）封裝領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。工藝、結(jié)構(gòu)方面，今后陶瓷基板將主要繼續(xù)沿著高精度、小型化、集成化方向發(fā)展。陶瓷基板的未來前景，預(yù)計未來5年內(nèi)將達到100億美元隨著電子封裝技術(shù)逐漸向著小型化、高密度、多功能和高可靠性方向發(fā)展，電子系統(tǒng)的功率密度隨之增加，散熱問題越來越嚴重。對于電子器件而言，通常溫度每升高10°C，器件有效壽命就降低30%~50%。因此，選用合適的封裝材料與工藝、提高器件散熱能力就成為發(fā)展電子器件的技術(shù)瓶頸。

其中，基板材料的選用是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響到器件成本、性能與可靠性。常用的基板材料主要包括塑料基板、金屬基板、陶瓷基板和復(fù)合基板四大類。目前，陶瓷基板雖然不是處于主導(dǎo)地位，但由于其良好的導(dǎo)熱性、耐熱性、絕緣性、低熱膨脹系數(shù)和成本的不斷降低，在電子封裝特別是功率電子器件中的應(yīng)用越來越廣泛。陶瓷基板按照工藝主要分為DPC、DBC、AMB、LTCC、HTCC等基板。根據(jù)GII報告顯示，2020年陶瓷基板全球市場規(guī)模約為65億美元，預(yù)測在2020年～2027年間將以6%的年復(fù)合成長率成長，2027年之前將達到100億美元。

HTCC基板(高溫共燒陶瓷)

HTCC基板制備過程中先將陶瓷粉(Al2O3或AlN)加入有機黏結(jié)劑，混合均勻后成為膏狀陶瓷漿料，接著利用刮刀將陶瓷漿料刮成片狀，再通過干燥工藝使片狀漿料形成生胚;然后根據(jù)線路層設(shè)計鉆導(dǎo)通孔，采用絲網(wǎng)印刷金屬漿料進行布線和填孔，最后將各生胚層疊加，置于高溫爐(1600℃)中燒結(jié)而成。目前已應(yīng)用于高頻無線通信領(lǐng)域、航空航天、存儲器、驅(qū)動器、濾波器、傳感器以及汽車電子等領(lǐng)域。

根據(jù)Market Watch的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2021年全球HTCC陶瓷基板市場規(guī)模約為22.12億美元，預(yù)計2028年達到38.75億美元，年復(fù)合增長率為8.3%左右。HTCC陶瓷基板行業(yè)市場集中度比較高，前三大廠商日本京瓷，日本丸和與日本特陶占據(jù)80%的全球HTCC陶瓷市場份額，行業(yè)內(nèi)主要競爭者數(shù)量少，屬于寡頭競爭。

LTCC基板(低溫共燒陶瓷)

為了降低HTCC制備工藝溫度，同時提高線路層導(dǎo)電性，業(yè)界開發(fā)了LTCC基板。與HTCC制備工藝類似，只是LTCC制備在陶瓷漿料中加入了一定量玻璃粉來降低燒結(jié)溫度，同時使用導(dǎo)電性良好的Cu、Ag和Au等制備金屬漿料。LTCC基板制備溫度低，但生產(chǎn)效率高，可適應(yīng)高溫、高濕及大電流應(yīng)用要求，在軍工及航天電子器件中得到廣泛應(yīng)用。

根據(jù)Market Watch發(fā)布的報告，2022年LTCC陶瓷基板的市場規(guī)模預(yù)計可達12.949億美元，預(yù)計2028年市場規(guī)模將達到18.682億美元，年復(fù)合增長率為6.3%。全球LTCC陶瓷基板的主要供應(yīng)商包括村田制作所，日本京瓷，TDK株式會社等。

DPC基板(直接電鍍陶瓷基板)

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。

根據(jù)HNY research發(fā)布數(shù)據(jù)，2021年全球DPC陶瓷基板市場規(guī)模大約為21億美元，預(yù)計2027年將達到28.2億美元，2022-2027期間年復(fù)合增長率(CAGR)為5.07%。全球主要的DPC陶瓷基板供應(yīng)商包括日本京瓷、日本丸和、臺灣同欣電子等。

該基板由陶瓷基片(Al2O3或AlN)與銅箔在高溫下(1065℃)共晶燒結(jié)而成，最后根據(jù)布線要求，以刻蝕方式形成線路。DBC具有導(dǎo)熱性好、絕緣性強、可靠性高等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于IGBT、LD和CPV封裝。

QY Research調(diào)研顯示，2021年全球DBC陶瓷基板市場規(guī)模大約為3億美元，預(yù)計2028年將達到5.5億美元，2022-2028期間年復(fù)合增長率(CAGR)為9.0%。主要DBC陶瓷基板廠商包括美國Rogers、韓國KCC、日本Ferrotec旗下的江蘇富樂華半導(dǎo)體科技股份有限公司等。

AMB基板(活性金屬焊接陶瓷基板)

AMB陶瓷基板是DBC工藝的進一步發(fā)展，該工藝通過含有少量稀土元素的焊料來實現(xiàn)陶瓷基板與銅箔的連接，其鍵合強度高、可靠性好。該工藝相較于DBC工藝鍵合溫度低、易操作。

根據(jù)QY Research報告，2021年AMB陶瓷基板市場規(guī)模約為0.9億美元，預(yù)計2028年增長到3.8億美元，復(fù)合增長率高達22.7%。主要供應(yīng)商包括美國Rogers、德國Heraeus、日本電化株式會社(Denka)、日本同和(DOWA)。

材料方面，氮化鋁、氮化硅將會起飛

目前陶瓷基板的主要材料以氧化鋁（Al2O3）、氮化鋁（AlN）和氮化硅（Si3N4）三類為主。氧化鋁陶瓷基板價格低廉(約為氮化鋁的1/10)，生產(chǎn)工藝成熟，目前產(chǎn)量最大，應(yīng)用面最廣。但是，氧化鋁陶瓷基板的導(dǎo)熱性能已無法滿足大功率芯片的散熱要求。

氮化鋁的熱導(dǎo)率是氧化鋁的5倍，并且具備與硅材料相匹配的熱膨脹系數(shù)，在大功率電力電子，以及其他需要高熱傳導(dǎo)的器件中，逐漸替代氧化鋁陶瓷，是目前發(fā)展最快的陶瓷基板。氮化硅被認為是綜合性能最好的陶瓷基板材料，雖熱導(dǎo)率不如氮化鋁，但其抗彎強度、斷裂韌性都可達到氮化鋁的2倍以上。同時，氮化硅陶瓷基板的熱膨脹系數(shù)與第三代半導(dǎo)體碳化硅相近，使得其成為碳化硅導(dǎo)熱基板材料的首選。綜合來看，氮化鋁陶瓷基板與氮化硅陶瓷基板最具發(fā)展前景。2021年全球氮化硅陶瓷基板市場規(guī)模在4億美元左右，在新能源汽車等終端市場需求推動下，中國已經(jīng)成為全球重要的氮化硅陶瓷基板消費國，國內(nèi)產(chǎn)品主要依賴進口，國內(nèi)市場規(guī)模從2017年的0.27億美元增長至2021年的1.20億美元，GAGR為45.2%。隨著IGBT和碳化硅MOS在新能源車領(lǐng)域的滲透率越來越高，市場空間有望進一步提升。

2017-2021年全球及中國氮化硅陶瓷基板市場規(guī)模(單位：億美元)

氮化鋁基板的生產(chǎn)能力主要集中于全球少數(shù)廠家，其中日本是全球最大的氮化鋁基板出口國，核心廠商為日本丸和、京瓷等。國內(nèi)已涌現(xiàn)一批具備氮化鋁基板批量生產(chǎn)的企業(yè)，龍頭公司的產(chǎn)能已超50萬片/月，逐步接近日本丸和。隨著高質(zhì)量氮化鋁基板的生產(chǎn)能力不斷提升，未來有望改變高性能陶瓷基板長期依賴進口的局面。
目前氮化鋁陶瓷基板的市場空間約10億元，2019年-2022年，國內(nèi)氮化鋁陶瓷基板市場空間的復(fù)合增長率超20%。隨著下游大規(guī)模集成電路、IGBT、微波通訊、汽車電子及影像傳感等產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，以及在電子器件功率提升的大背景下，氮化鋁的應(yīng)用規(guī)模將進一步擴大。根據(jù)行業(yè)專家預(yù)測，未來幾年，氮化鋁陶瓷基板的市場空間增速仍將保持在20%以上，按此增長速率計算，則2026年氮化鋁陶瓷基板的市場空間有望達到20億元。

參考來源：

[1]程浩等.電子封裝陶瓷基板

[2]陸琪等.陶瓷基板研究現(xiàn)狀及新進展

[3]程浩等.功率電子封裝用陶瓷基板技術(shù)與應(yīng)用進展

[4]陶瓷封裝基板行業(yè)概況及其發(fā)展.合肥協(xié)同半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)研究院

[5]陶瓷封裝基板技術(shù)演進正當時.九派資本JPCapital

[6]粉體大數(shù)據(jù)研究

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