陶瓷基板的前史、今生現狀與未來前景，預計未來5年內將達到100億美元

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

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氧化鋁基板，圖片來源：京瓷

而日本京瓷也很早便開始了陶瓷基板的研究，據日本京瓷創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的領軍企業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。”

近年來，電動汽車、電力機車以及半導體照明、航空航天、衛星通信等進入高速發展階段，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——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。

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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。但由于其熱導率相對較低（99%氧化鋁熱導率約為30W/（m·K）），熱膨脹系數較高，一般應用在汽車電子、半導體照明、電氣設備等領域。

隨著應用研究的不斷深入，更多的陶瓷材料受到了科研及產業界的關注。

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

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氮化鋁基板

現有陶瓷基板材料中，Si₃N₄陶瓷基板以其硬度高、機械強度高、耐高溫和熱穩定性好、介電常數和介質損耗低、耐磨損、耐腐蝕等優異的性能，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。

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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。

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（a）SiC陶瓷基片和（b）BN陶瓷基片

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

發展至今，從結構與制作工藝而言，陶瓷基板發展了HTCC、LTCC、TFC、DBC、DPC等多種形式。

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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）后燒結制備，因此可實現基板內垂直互連，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）和電鍍填孔技術制備金屬通孔，由于孔內電鍍填充致密銅柱，導電導熱性能優良，因而可實現陶瓷基板上下線路層垂直互連。在此基礎上，通過電鍍增厚等技術制備圍壩，可得到含圍壩結構的三維陶瓷基板。

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。

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來源：《熱管理材料》整理

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。

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。

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、德國和日本等國掌握。

結束語

鑒于陶瓷具有良好的導熱性、耐熱性、高絕緣、高強度、低熱脹、耐腐蝕和抗輻射等優點，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）封裝領域發揮重要作用。工藝、結構方面，今后陶瓷基板將主要繼續沿著高精度、小型化、集成化方向發展。

參考來源：

[1]徐友和.電子基板表面化學法金屬化技術研究

[2]陸琪等.陶瓷基板研究現狀及新進展

[3]程浩等.電子封裝陶瓷基板

[4]程浩等.功率電子封裝用陶瓷基板技術與應用進展

[5]熱設計

[6]《稻盛和夫自傳》

陶瓷基板的未來前景，預計未來5年內將達到100億美元

圖片來源：Pexels

HTCC基板(高溫共燒陶瓷)

LTCC基板(低溫共燒陶瓷)

DPC基板(直接電鍍陶瓷基板)

DBC基板(直接鍵合銅陶瓷基板)

AMB基板(活性金屬焊接陶瓷基板)

材料方面，氮化鋁、氮化硅將會起飛

2017-2021年全球及中國氮化硅陶瓷基板市場規模(單位：億美元)

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