陶瓷基板—“前世與今生”
前世
電路板被很多人譽為電子產品之母,它是計算機、手機等消費電子產品的關鍵部件,在醫療、航空、新能源、汽車等行業有著廣泛應用。縱觀發展簡史,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。
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于是在1900-1920年的時候德國發明家阿爾伯特-漢森第一個提出PCB概念。他開創了使用的概念 “電線” 用于電話交換系統, 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,實現不同層間的電氣互連,為PCB制造和發展奠定了理論基礎。
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因其第一個發表了薄膜技術,開發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展。
Paul Eisler的技術發明被美國大規模用于制造二戰中使用的近炸引信。 同時, 該技術廣泛應用于軍用無線電。從此PCB板開始走上飛速發展與進步的道路。
歷史關鍵事件
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明?于商業?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,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,發表了增層法之?的“Plated-up technology”;
1969年,FD-R以聚酰亞胺制造了軟性印制電路板;
1979年,Pactel發表了增層法之?的“Pactel法”;
1984年,NTT開發了薄膜回路的“Copper Polyimide法”;
1988年,西門?公司開發了Microwiring Substrate的增層印制電路板;
1990年,IBM開發了“表?增層線路”(Surface Laminar Circuit,SLC)的增層印制電路板;
1995年,松下電器開發了ALIVH的增層印制電路板;
1996年,東芝開發了Bit的增層印制電路板;
今生
當今世界隨著集成電路技術的誕生,進入先進電子制造業的時代,PCB逐漸成為了行業必不可少的核心產品。集成電路技術的飛速發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,都是普通的環氧樹脂基板,優點是便于設計成本低廉。
當下,電子器件向大功率化、高頻化、集成化方向發展,其元器件在工作過程中產生大量熱量,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定性,對電路板的散熱能力提出了更高的要求。傳統的普通基板和金屬基板不能滿足當下工作環境下的應用。陶瓷基板具有絕緣性能好、強度高、熱膨脹系數小、優異的化學穩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。
1.1 陶瓷粉體
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。隨著國家大力發展綠色環保方向,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,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,往往造成產物形貌不規則、ɑ相含量低、團聚嚴重,需要進一步破碎,在后續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、成本低等優點,非常適合大批量生產;
1.2 陶瓷基板制備工藝
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定下來。如果制品過早地被取出爐子,容易導致熱應力而產生裂紋。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;
陶瓷基板金屬化
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。
2.1 DPC技術
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。
來源:AIN應用性能出眾,國產替代機遇顯著
DPC 技術具有如下優點:(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。
2.2 DBC技術
DBC是陶瓷基片與銅箔在高溫下(1065℃)共晶燒結而成,最后根據布線要求,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。
來源:AIN應用性能出眾,國產替代機遇顯著
DBC 具有導熱性好、 絕緣性強、可靠性高等優點,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 層間容易產生微氣孔,降低了產品抗熱沖擊性;由于銅箔在 高溫下容易翹曲變形。
2.3 AMB技術
AMB工藝是金屬釬料實現氮化鋁與無氧銅的高溫結合,以結合強度高、冷熱循環可靠性好等優點,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。
2.4 陶瓷基板及金屬化涉及重點設備
世諾科技有限公司是四川高新技術企業,是全球少數幾家脫泡攪拌機、行星式重力攪拌機、真空重力攪拌機的專業生產廠之一。
長沙建宇網印機電設備有限公司是一家提供高精密印刷設備的高新技術企業,擁有先進的研發技術,雄厚的生產制造實力。產品主要應用領域: 電容陶瓷金屬化、厚膜電路芯片電阻、LTCC、HTCC、片狀元件,產品有半自動設備與全自動上下料印刷生產線等。
應用領域
3.1 高鐵、新能源汽車、風力、機器人、5G基站用IGBT模塊
由于 IGBT輸出功率高,發熱量大,散熱不良將損壞 IGBT 芯片,因此對 IGBT封裝而言,散熱是關鍵,必須選用陶瓷基板強化散熱。氮化鋁、氮化硅陶瓷基板具有熱導率高、與硅匹配的熱膨脹系數、高電絕緣等優點,非常適用于 IGBT 以及功率模塊的封裝。廣泛應用于軌道交通、航天航空、電動汽車、風力、太陽能發電等領域。
3.2 LED封裝
縱觀LED技術發展,功率密度不斷提高,對散熱的要求也越來越高。由于陶瓷具有的高絕緣、高導熱和耐熱、低膨脹等特性,特別是采用通孔互聯技術,可有效滿足LED倒裝、共晶、COB(板上芯片)、CSP(芯片規模封裝)、WLP (圓片封裝)封裝需求,適合中高功率LED封裝。
3.3 光伏/芯片模組
光伏發電是根據光生伏特效應原理,利用太陽能電池將太陽光直接轉化為電能。由于聚焦作用導致太陽光密度增加,芯片溫度升高,必須采用陶瓷基板強化散熱。實際應用中,陶瓷基板表面的金屬層通過熱界面材料(TIM)分別與芯片和熱沉連接,熱量通過陶瓷基板快速傳導到金屬熱沉上,有效提高了系統光電轉換效率與可靠性。
行業分析
陶瓷基板具備散熱性好、耐熱性好、熱膨脹系數與芯片材料匹配、絕緣性好等優點,被廣泛用于大功率電子模塊、航空航天、軍工電子等產品。高功率IGBT、SiC 功率器件搭載上車,刺激上游陶瓷基板的需求,推動產業發展,近期多個公司宣布陶瓷基板項目的投產或擴建計劃。
5.1 全球陶瓷基板市場火爆,市場規模穩步增加
根據華西證劵研究所報告顯示,2020 年全球陶瓷基板市場規模達到 89 億美元,預計 2026 年全球規模將達到 172.9 億美元,漲幅達到 94.27%,市場前景廣闊。
5.2 高功率IGBT模塊持續推動DBC/AMB陶瓷基板市場擴大
DBC 陶瓷基板具有高強度、 導熱性能強以及結合穩定的優質性能,而 AMB 陶瓷基板是在 DBC 的基礎上發展而來的, 結合強度相對更高。近年來隨著新能源汽車、光伏儲能行業的快速發展, 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 陶瓷基板主要生產廠家有羅杰斯、日本京瓷、日本丸和等。
5.3 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 已產業化, 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 的應用面不斷擴大,從特種照明的市場領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 的封裝技術提出了更高的要求。而傳統的基板無法承載高功率的熱能,氮化鋁陶瓷具有良好的導熱和絕緣性能,能夠提高 LED 功率水平和發光效率。功率 LED 已經在戶外大型看板、小型顯示器背光源、車載照明、室內及特殊照明等方面獲得了大量應用。
5.4 第三代半導體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與第 3代半導體襯底SiC晶體接近,使其能夠與SiC晶體材料匹配性更穩定。雖然國內AMB 技術有一定積累,但產品主要是 AIN-AMB基板,受制于Si3N4基片技術的滯后,國內尚未實現Si3N4-AMB的商業化生產,核心工藝被美國 Rogers、德國 Heraeus和日本京瓷、東芝高材、韓國 KCC 等國外企業掌握。
5.5 企業介紹
目前國內代表性企業有博敏電子、浙江德匯、北京漠石科技、合肥圣達電子、無錫天揚、中鋁山東、寧夏秦式、廈門矩瓷、寧夏艾森達、無錫海古德、江蘇富樂華、浙江精瓷、揚州中天利、江豐同芯、武漢利之達、福建臻璟等等。國外有日本丸和、羅杰斯、日本京瓷、羅杰斯、賀利氏、杜邦、村田株式會社、高麗化工、東芝等(企業排名沒有先后順序)。
(1)福建臻璟新材料科技有限公司
福建臻璟是一家全國領先的第三代半導體氮化物材料供應商及熱管理方案解決企業。專注于核心基礎材料、掌握核心技術、具備完善的新材料開發能力、是一家集研發、生產、銷售為一體的科技公司。氮化硅陶瓷基板、氮化鋁陶瓷基板。
(2)無錫海古德新技術有限公司
海古德是由一群有理想抱負、有創新精神,以致力于發展中國氮化鋁陶瓷及其元器件為事業目標的創業團隊創建的,公司的核心產品氮化鋁(AIN)陶瓷基板及其元器件制造是目前國家鼓勵和重點支持的朝陽產業,是國家強基工程關鍵領域關鍵基礎材料。
(3)浙江德匯電子陶瓷有限公司
浙江德匯電子陶瓷有限公司,位于黨的誕生地——浙江嘉興南湖之畔。德匯電子致力于高性能電子陶瓷及其相關電子元器件的開發、生產和銷售;
(4)中材高新材料股份有限公司
中材高新材料股份有限公司由山東工陶院和中材人工晶體院兩家國家級轉制院所重組而成,是我國技術創新示范企業,公司最近十多年來,積極推進科技成果產業化,先后培育了氮化硅陶瓷、超特高壓電瓷、氧化鋁陶瓷、陶瓷平板膜等幾個主導產品;
(5)南通威斯派爾半導體技術有限公司
南通威斯派爾半導體技術有限公司專注于為IGBT/SiC功率模塊提供高可靠性的散熱基礎材料,全力打造以AMB及DBC技術為基礎的覆銅陶瓷基板產品;
(6)河北軍瓷電子材料
軍瓷電子材料河北有限公司位于河北省邢臺市臨西縣泰山路北側,經營范圍包括一般項目:特種陶瓷制品制造;電子專用材料制造;特種陶瓷制品銷售;電子專用材料銷售;新型陶瓷材料銷售;金屬基復合材料和陶瓷基復合材料銷售;新材料技術研發;電子專用材料研發;
(7)博敏電子股份有限公司
博敏電子股份有限公司設立微芯事業部,具備AMB、DPC陶瓷襯板生產工藝,產品在航空體系、中車體系、振華科技、國電南瑞、比亞迪半導體等客戶中開展樣板驗證和量產使用。
(8)江蘇富樂華半導體科技股份有限公司
江蘇富樂華半導體科技股份有限公司成立于2018年3月,由上海申和投資有限公司控股,是專業從事功率半導體覆銅陶瓷載板(AMB、DCB、DPC、DBA)以及載板制作供應鏈材料的集研發、制造、銷售于一體的先進制造公司。
(9)新納陶瓷
新納陶瓷擁有國外先進、國內領先的陶瓷材料和產品生產線,已形成以陶瓷基板、結構陶瓷、陶瓷器件等為主導的多門類產品,專注于半導體、移動通訊、新能源等應用領域的陶瓷材料及器件的研發生產,是國內特種陶瓷材料和產品的主要生產廠家。
(10)武漢利之達科技有限公司
武漢利之達科技有限公司位于武漢東湖新技術開發區(中國光谷),工廠位于孝感市孝昌縣經濟開發區。由高校科研人員創辦的高新技術企業,瞪羚企業。公司致力于高校科研成果產業化,專業從事電子陶瓷封裝材料與技術的研發。
(11)羅杰斯Rogers
羅杰斯于 1832 年成立,總部位于美國亞利桑那州錢德勒市,是金屬化陶瓷基板的市場和技術領導者,擁有curamik?品牌直接覆銅(DBC)和活性金屬釬焊(AMB)基板,由羅杰斯先進電子解決方案(AES) 事業部負責。
(12)賀利氏
賀利氏科技集團總部位于德國哈瑙市,在1660 年從一間小藥房起家,并于1851年正式成立公司,如今已發展成為一家擁有多元化產品和業務的家族企業。賀利氏電子是電子封裝材料應用領域的材料及匹配材料解決方案專家,提供全面的金屬陶瓷基板產品組合,可滿足功率電子市場的不同需求,由其羅馬尼亞Chisoda工廠生產金屬化陶瓷基板。
(13)東芝高新材料
日本東芝高新材料株式會社成立于2003年,主要產品有氮化硅白板、氮化鋁白板以及氮化硅AMB基板等。
(14)日本同和DOWA
日本同和控股(集團)有限公司(DOWA)創建于1884年,是以采礦及冶煉事業為起步。1992年在長野開始金屬陶瓷電路板的生產,是全球領先的功率模塊用金屬陶瓷基板制造商。
(15)日本京瓷KYOCERA
京瓷株式會社(KYOCERA Corporation)成立于1959年4月1日,專門從事精密陶瓷的研發和生產,是 SiN-AMB 基板的領先制造商。
(16)三菱綜合材料
三菱綜合材料的DBA基板業務所屬部門為制造研究開發戰略部,在富士小山生產工廠生產。
未來
未來電氣器件、工業制造技術和大功率設備發展迅速,設備的功率密度會持續升高,散熱問題會持續被全球行業內人員關注。同時未來解決更先進器件設備的散熱問題會對材料提出更嚴苛的要求。陶瓷基板憑借出色的熱導性、絕緣性附加與硅相匹配的熱膨脹系數,作為散熱件和結構件未來將會持續發光發熱。此外,全球陶瓷基板市場規模在未來幾年內將保持穩定增長,國內產業發展迅猛,國產替代空間巨大,布局粉板兼有的上下游一體化公司將脫穎而出。隨著近年來電子產業的高速發展,我國粉體市場需求快速增長,但是國內粉體產量不能滿足市場需求,粉料大量依賴進口。但未來隨著國內研究不斷深入,我國粉體制備技藝不斷提高,國內外差距正在逐漸縮小,且隨著我國政策大力支持加之市場需求不斷擴大,國內粉體產業正向高質量推進。隨著國家政策大力支持,科技型產業向高質量推進,陶瓷基板行業未來發展態勢也會持續上升,相信在未來我國在陶瓷基板行業會在全球站穩自己的腳跟,具有自己的一席之地。
總結
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