行业研究｜陶瓷基板的材料与应用

陶瓷基板的材料

1.    氮化硅：用于机械行业的陶瓷球、半导体功率模块

2.    氧化铝

具有原料来源丰富、价格低廉、绝缘性高、耐热冲击、抗化学腐蚀及机械强度高等优点，综合性能较好，占陶瓷基片材料总量的80%以上。

3.    氮化铝

热导率为氧化铝陶瓷的6~8倍，但热膨胀系数只有其50%，此外还具有绝缘强度高、介电常数低、耐腐蚀性好等优势。除了成本较高外，氮化铝陶瓷综合性能均优于氧化铝陶瓷，是一种非常理想的电子封装基片材料。

4.    氧化铍

BeO材料密度低，热导率高，具有良好的综合性能。

5.    碳化硅、碳化硼

SiC有低热膨胀系数、高热传导率，有优良抗热冲击性，电性能可通过掺杂来实现其绝缘、半导体到导体的转变，是诸多行业的理想材料。但多晶体的SiC热导率低（67W/(m·K)），导电率仅40，是AlN的4倍，限制了其高频应用。

（一）陶瓷基板的分类

1. 1.     平面陶瓷基板

1. 2.     三维陶瓷基板

三维陶瓷基板满足了器件气密封装的需求。主要包括高温/低温共烧陶瓷基板(HTCC/LTCC)、多层烧结三维陶瓷基板(MSC)、直接粘结三维陶瓷基板(DAC)、多层镀铜三维陶瓷基板(MPC)和直接成型三维陶瓷基板(DMC)等。

（二）   平面陶瓷基板的制备技术

1.    薄膜陶瓷基板(TFC)

• 制备：薄膜陶瓷基板一般采用溅射工艺直接在陶瓷基片表面沉积金属层。
  
• 特点：由于溅射镀膜沉积速度低，因此TFC基板表面金属层厚度较小(<1μm)，可制备高图形精度(线宽<10μm)陶瓷基板，主要用于激光与光通信领域小电流器件封装。
  
  

2.    厚膜印刷陶瓷基板(TPC)

• 制备：通过丝网印刷将金属浆料涂覆在陶瓷基片上，干燥后经高温烧结(850°C~900°C)制备TPC基板。
  
• 特点：TFC基板制备工艺简单，对加工设备和环境要求低，具有生产效率高、制造成本低等优点。由于丝网印刷工艺限制，TFC基板无法获得高精度线路(最小线宽>100μm)。因此TPC仅在对线路精度要求不高的电子器件(如汽车电子)封装中得到应用。

3.    直接键合陶瓷基板(DBC)

• 制备：首先在铜箔和陶瓷基片间引入氧元素，在1065°C形成Cu/O共晶相，进而与陶瓷基片和铜箔发生反应生成CuAlO2或Cu(AlO2)2，实现铜箔与陶瓷间共晶键合。

  

• 特点：由于陶瓷和铜具有良好的导热性，且铜箔与陶瓷间共晶键合强度高，因而具有较高的热稳定性，可满足高温、大电流等极端环境下器件封装应用需求。但DBC在制备过程中要严格控制共晶温度及氧含量，对设备和工艺控制要求较高，生产成本也较高，也无法制备出高精度线路层。

4.    活性金属焊接陶瓷基板(AMB)

• 制备：AMB基板制备技术是DBC基板工艺的改进：DBC基板制备中铜箔与陶瓷在高温下直接键合，而AMB基板采用活性焊料实现铜箔与陶瓷基片间键合。
  
  

  

• 特点：由于AMB使用了活性焊料，从而降低陶瓷基板内部热应力，使其结合强度高、可靠性好。该方法成本较高，合适的活性焊料较少，且焊料成分与工艺对焊接质量影响较大，目前只有少数国外企业掌握了AMB基板量产技术。

5.    直接电镀陶瓷基板(DPC)

• 制备：前端采用了半导体微加工技术(溅射镀膜、光刻、显影等)，后端则采用了印刷线路板(PCB)制备技术(图形电镀、填孔、表面研磨、刻蚀、表面处理等)，技术优势明显。
  
  

  

• 特点：DPC基板具有图形精度高，可垂直互连等特性。其优势包括：采用半导体微加工技术，陶瓷基板上金属线路更加精细，适合对准精度要求较高的微电子器件封装；激光打孔与电镀填孔技术实现了陶瓷基板表面垂直互联，实现电子器件三维封装集成，降低器件体积；采用电镀生长控制线路层厚度，并通过研磨降低线路层表面粗糙度，满足高温、大电流器件封装需求；低温制备工艺(<300°C)避免了高温对基片材料和金属线路层的不利影响，同时也降低了生产成本。

6.    激光活化金属陶瓷基板(LAM)

• 制备：利用特定波长的激光束选择性加热活化陶瓷基片表面，随后通过电镀/化学镀完成线路层制备。
  
  

  

• 特点：无需光刻、显影、刻蚀等微加工工艺，通过激光直写制备线路层，且线宽由激光光斑决定，精度高；可在三维结构陶瓷表面制备线路层，突破了传统平面陶瓷基板金属化的限制；金属层与陶瓷基片结合强度高，线路层表面平整，粗糙度在纳米级别。虽然LAM技术可在平面陶瓷基板或立体陶瓷结构上加工线路层，但其线路层由激光束“画”出来，难以大批量生产，导致价格极高，目前主要应用在航空航天领域异型陶瓷散热件加工。

（三）   三维陶瓷基板的制备技术

1.    高/低温共烧陶瓷基板(HTCC/LTCC)

• 制备：HTCC基板制备过程中先将陶瓷粉加入有机黏结剂，混合均匀后成为膏状陶瓷浆料，接着利用刮刀将陶瓷浆料刮成片状，再通过干燥工艺使片状浆料形成生胚；然后根据线路层设计钻导通孔，采用丝网印刷金属浆料进行布线和填孔，最后将各生胚层叠加，置于高温炉(1600°C)中烧结而成。
  
  

  

• 特点：HTCC基板具有较高机械强度和热导率，物化性能稳定，适合大功率及高温环境下器件封装。但是，HTCC基板制备工艺温度高，制作成本较高，且其线路精度较差，难以满足高精度封装需求。

  
  

2.    多层烧结三维陶瓷基板(MSC)

• 制备：与HTCC/LTCC基板一次成型制备三维陶瓷基板不同，台湾阳升公司采用多次烧结法制备了MSC基板。首先制备厚膜印刷陶瓷基板(TPC)，随后通过多次丝网印刷将陶瓷浆料印刷于平面TPC基板上，形成腔体结构，再经高温烧结而成。

  

• 特点：MSC基板技术生产设备和工艺简单，平面基板与腔体结构独立烧结成型，且由于腔体结构与平面基板均为无机陶瓷材料，热膨胀系数匹配，制备过程中不会出现脱层、翘曲等现象。其缺点在于：图形精度较低；受丝网印刷工艺限制，MSC基板腔体厚度有限，所以MSC三维基板仅适用于体积较小、精度要求不高的电子器件封装。

  
  

3.    直接粘接三维陶瓷基板(DAC)

• 制备：首先加工金属环和DPC陶瓷基板，然后采用有机粘胶将金属环与DPC基板对准后粘接、加热固化。
  
  

  

• 特点：由于胶液流动性好，因此涂胶工艺简单，成本低，易于实现批量生产，且所有制备工艺均在低温下进行，不会对DPC基板线路层造成损伤。但是，由于有机粘胶耐热性差，固化体与金属、陶瓷间热膨胀系数差较大，且为非气密性材料，目前DAC陶瓷基板主要应用于线路精度要求较高，但对耐热性、气密性、可靠性等要求较低的电子器件封装。

4.    多层电镀三维陶瓷基板(MPC)

• 制备：MPC与DPC基板类似，只是在完成平面DPC线路层加工后，再多次光刻、显影和图形电镀完成围坝制备。
  
  

  

• 特点：MPC以图形电镀工艺制备线路层，避免了HTCC/LTCC与TPC基板线路粗糙问题，满足高精度封装要求；陶瓷基板与金属围坝一体化成型为密封腔体，结构紧凑，无中间粘结层，气密性高；MPC基板整体为全无机材料，具有良好的耐热性，抗腐蚀、抗辐射。其缺点在于：制备过程需要反复进行光刻、显影、图形电镀与表面研磨，耗时长，生产成本高；电镀围坝铜层较厚，内部应力大，基板容易翘曲变形，影响芯片封装质量与效率。

5.    直接成型三维陶瓷基板(DMC)

• 制备：首先制备平面DPC陶瓷基板，同时制备带孔橡胶模具；将橡胶模具与DPC陶瓷基板对准合模后，向模具腔内填充牺牲模材料；待模材料固化后，取下橡胶模具，将模粘接于DPC陶瓷基板上，并精确复制橡胶模具孔结构特征，作为铝硅酸盐浆料成型模具；随后将铝硅酸盐浆料涂覆于DPC陶瓷基板上并刮平，加热固化，最后将模材料腐蚀，得到含铝硅酸盐免烧陶瓷围坝的三维陶瓷基板。
  
  

  

• 特点：DMC的出现提高三维陶瓷基板生产效率，同时保证了基板线路精度与可靠性。该工艺制备的三维陶瓷基板精度高，重复性好，适合量产，可满足不同结构和尺寸的电子器件封装要求。

  
  

陶瓷基板的应用

1.    电力电子器件封装

以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的第三代电力电子器件具有频率高、功率大和开关速度快等优势，在军工、航天航空、电动牵引、轨道交通、新能源汽车以及家用电子器件领域得到广泛应用。由于IGBT输出功率高，发热量大，散热不良将损坏IGBT芯片。DBC金属线路层较厚，具有载流能力大、耐高温性好及可靠性高等特点，故被广泛使用。

2.    激光器封装

LD广泛应用于工业、军事、医疗和3D打印等领域。由于LD电光转换效率约为50%~60%，工作时大量热量集中在有源区，导致结温升高，因此，在LD封装中必须采用导热性能良好、热膨胀系数匹配的陶瓷基板。由于AlN陶瓷具有热导率高、热膨胀系数低等优点，因此LD封装普遍使用AlN陶瓷基板。

3.    发光二极管(LED)封装

LED是一种基于电光转换的半导体功率器件，具有电光转换效率高、响应快、寿命长和节能环保等优势，目前已广泛应用于通用照明、信号指示、汽车灯具和背光显示等领域。由于陶瓷基板具有高绝缘、高导热和耐热、低膨胀等特性，特别是采用垂直通孔技术的DPC陶瓷基板，可有效满足倒装共晶、COB(板上芯片封装)、CSP(芯片尺寸封装)等技术白光LED封装需求。

4.    热电制冷器(TEC)封装

由于热电制冷效率与半导体粒子数量呈正相关，单位面积粒子数量越多，热电制冷效率越高，DPC陶瓷基板图形精度高，可提高粒子布置密度，从而有效提高热电制冷效率。

5.    高温电子器件(HTE)封装

航空航天、深海钻探、汽车等领域电子器件需要能够在极端环境下工作，因此封装材料必须具有高耐热性和抗湿性，同时器件芯片必须密封于腔体中，避免外界环境的侵蚀和破坏。三维陶瓷基板具有高强度腔体结构，气密性良好，可满足恶劣环境下器件封装要求。

6.    高温器件或其他功率器件封装

聚焦光伏器件封装，由于聚焦作用导致太阳光密度增加，芯片温度升高，必须采用陶瓷基板强化散热。此外，在微波射频领域，为了降低损耗，需采用高频特性良好的HTCC或LTCC基板来提高速度。

陶瓷基板产业链及相关企业

（一）   行业现状

1.    陶瓷基板行业仍为日本主导

日本企业从上世纪已开始在陶瓷领域深耕，目前从陶瓷粉体到陶瓷基板，日本占据全球绝大市场份额。除日本公司外，美国罗杰斯、德国贺利士在陶瓷基板市场中也均占据一席之地，相比之下国内陶瓷基板企业仍存在较大差距。

2.    关键原材料依赖进口

（二）   上游陶瓷粉体

（三）   中游陶瓷基板

陶瓷基板方面，市场份额被日本京瓷、东芝材料，罗杰斯、丸和等海外巨头所占有，我国部分核心零部件的陶瓷基板主要依赖于进口。

从不同金属化工艺来看，日本京瓷在主流陶瓷基板技术应用上占绝对优势，占据全球38.4%的市场份额。其它国外企业如德国贺利士，美国罗杰斯也在全球陶瓷基板领域占据重要位置。国内企业方面，富乐华、同欣电子、陶陶科技等均实现了在主流陶瓷基板技术上的全覆盖。

陶瓷基板的行业壁垒

1.    粉体制备壁垒

2.    陶瓷裸片制备壁垒

（3）气场气流的控制。气动输送流量指空气或物料在气动输送管道中的流动速度。

3.    陶瓷基板制备壁垒

（3）活性钎料的选择和制备。

（二）客户认证壁垒

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