陶瓷基板是指銅箔在高溫下直接鍵合到氧化鋁(Al2O3)或氮化鋁(AlN)陶瓷基片表面( 單面或雙面)上的特殊工藝板。所制成的超薄復(fù)合基板具有優(yōu)良電絕緣性能,高導(dǎo)熱特性,優(yōu)異的軟釬焊性和高的附著強度,并可像PCB板一樣能刻蝕出各種圖形,具有很大的載流能力。因此,陶瓷基板已成為大功率電力電子電路結(jié)構(gòu)技術(shù)和互連技術(shù)的基礎(chǔ)材料。
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(dāng)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(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性能脫穎而出,是符合當(dāng)下高功率器件設(shè)備所需的性能要求。
目前,陶瓷基板的主要材料包括氧化鈹(BeO)、氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)和氮化硅(Si3N4)等。
BeO陶瓷具有較高的熱導(dǎo)率,但是其毒性和高生產(chǎn)成本限制了它的生產(chǎn)和應(yīng)用。Al2O3陶瓷基板因其價格低廉、耐熱沖擊性好已被廣泛應(yīng)用,但因其熱導(dǎo)率相對較低和熱膨脹率不匹配的問題,已無法完全滿足功率器件向大功率、小型化方向發(fā)展的趨勢。AlN和Si3N4陶瓷基板在膨脹系數(shù)及熱導(dǎo)率方面的優(yōu)勢被認為是未來的發(fā)展方向。
發(fā)展至今,陶瓷基板的結(jié)構(gòu)與制作工藝也多有發(fā)展。目前,陶瓷基板按工藝可分為平面陶瓷基板和三維陶瓷基板兩大類。主要的平面陶瓷基板工藝可分為薄膜陶瓷基板(TFC)、厚膜印刷陶瓷基板(TPC)、直接鍵合銅陶瓷基板(DBC)、活性金屬焊接陶瓷基板(AMB)、直接電鍍銅陶瓷基板(DPC)。目前常見的三維陶瓷基板分為高溫共燒陶瓷基板(HTCC)和低溫共燒陶瓷基板(LTCC)。
HTCC(High Temperature Co-fired Ceramic,高溫共燒陶瓷):屬于較早發(fā)展的技術(shù),是采用陶瓷與高熔點的W、Mo等金屬圖案進行共燒獲得的多層陶瓷基板。但由于燒結(jié)溫度較高使其電極材料的選擇受限,且制作成本相對昂,促使了LTCC的發(fā)展。
LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic,低溫共燒陶瓷):LTCC技術(shù)共燒溫度降至約850℃,通過將多個印有金屬圖案的陶瓷膜片堆疊共燒,實現(xiàn)電路在三維空間布線。
DPC(Direct Plating Copper,直接鍍銅):是在陶瓷薄膜工藝加工基礎(chǔ)上發(fā)展起來的陶瓷電路加工工藝。以陶瓷作為線路的基板,采用濺鍍工藝于基板表面復(fù)合金屬層,并以電鍍和光刻工藝形成電路。
全球來看,DPC陶瓷基板廠商主要分布在中國臺灣和大陸地區(qū)。大概在2015年之后,中國大陸也有一些企業(yè)加入到了這個行業(yè)。
DBC(Direct Bonded Copper,直接覆銅):通過熱熔式粘合法,在高溫下將銅箔直接燒結(jié)到Al2O3和AlN陶瓷表面而制成復(fù)合基板。
目前全球DBC陶瓷基板,主要由德國、韓國和中國企業(yè)主導(dǎo),核心廠商有德國的Rogers和賀利氏,韓國的KCC,中國的江蘇富樂華半導(dǎo)體、合肥圣達、BYD和南京中江等。預(yù)計未來幾年,中國企業(yè)將占有更大的市場份額。
AMB(Active Metal Brazing,活性金屬釬焊):AMB是在DBC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的,在 800℃左右的高溫下,含有活性元素 Ti、Zr 的 AgCu 焊料在陶瓷和金屬的界面潤濕并反應(yīng),從而實現(xiàn)陶瓷與金屬異質(zhì)鍵合。
AMB陶瓷基板,目前主要也是由德國羅杰斯、日本電化Denka、中國江蘇富樂華半導(dǎo)體科技股份(日本Ferrotec控股)等著三家企業(yè)占有較高份額。其他廠商總體起步較晚,規(guī)模也較小,如國外企業(yè)主要有賀利氏電子、京瓷、東芝材料、同和、韓國KCC、韓國阿莫泰克AMOTECH,國內(nèi)廠商有比亞迪、博敏電子(芯舟)、浙江德匯電子、合肥圣達、北京漠石科技、南通威斯派爾半導(dǎo)體技術(shù)有限公司和無錫天楊電子有限公司等。未來幾年,預(yù)計氮化硅陶瓷基板(AMB-SiN)將快速增長。
全球陶瓷基板市場火爆,市場規(guī)模穩(wěn)步增長
2022年全球陶瓷基板市場規(guī)模達到了11.3億美元,預(yù)計2029年將達到41.5億美元,年復(fù)合增長率(CAGR)為18.23%。
其中,2022年全球AMB陶瓷基板市場銷售額達到了4.33億美元,預(yù)計2029年將達到28.72億美元,年復(fù)合增長率(CAGR)為26.0%(2023-2029)。
2022年全球DBC陶瓷基板市場銷售額達到了4.4億美元,預(yù)計2029年將達到8.24億美元,年復(fù)合增長率(CAGR)為7.75%(2023-2029)。
2022年全球DPC陶瓷基板市場銷售額達到了2.40億美元,預(yù)計2029年將達到3.27億美元,年復(fù)合增長率(CAGR)為4.43%(2023-2029)。
2022年全球DBA陶瓷基板市場銷售額達到了0.16億美元,預(yù)計2029年將達到1.27億美元,年復(fù)合增長率(CAGR)為32.47%(2023-2029)。
國產(chǎn)替代需求愈發(fā)強烈
中國市場在過去幾年變化較快,2022年中國陶瓷基板產(chǎn)量約占全球的35.9%,預(yù)計2029年占比將達到54.9%。歐洲是第二大市場地區(qū),2022年份額為33%,預(yù)計2029年為21.99%。日本、東南亞、韓國和中國臺灣也是重要的生產(chǎn)地區(qū),其中日本是全球最大的AMB陶瓷基板生產(chǎn)地區(qū),2022年份額為36%,東南亞(日本NGK DBC和AMB產(chǎn)地在馬來西亞,韓國KCC在越南建廠生產(chǎn)DBC)也是重要的DBC和AMB生產(chǎn)地區(qū)。
從全球生產(chǎn)廠家來看,陶瓷基板第一梯隊廠商(按收入計)主要是羅杰斯、富樂華、電化Denka和同欣電子等。其中AMB陶瓷基板核心廠商主要是羅杰斯、富樂華、電化Denka、賀利氏和比亞迪等,DBC方面核心廠商主要是羅杰斯、富樂華、NGK Electronics Devices、合肥圣達和比亞迪等,DPC核心廠商主要是同欣電子,DBA方面主要是三菱綜合材料、同和、電化Denka等,未來幾年預(yù)計富樂華和福建華清電子材料科技有限公司在DBA領(lǐng)域占據(jù)重要地位。
目前我國已基本實現(xiàn)對氧化鋁粉體的進口替代。而氮化鋁粉體方面,尤其是氮化鋁粉體,我國尚依賴從日本進口,日本占據(jù)中國市場超60%市場份額。進口粉體產(chǎn)品穩(wěn)定性、精細化程度較好,但價格約為國產(chǎn)普通氮化鋁粉體價格的3倍左右,且存在原材料斷供的風(fēng)險。氮化硅粉體方面,我國僅有少數(shù)粉體廠商具備量產(chǎn)出貨能力,部分陶瓷基板企業(yè)雖具備生產(chǎn)能力,但多為自用,不對外出售。
因上游關(guān)鍵陶瓷粉體制備技術(shù)均由日本企業(yè)掌握,且粉體對基板的性能起到?jīng)Q定性作用,所以外企在陶瓷基板的生產(chǎn)上具備天然優(yōu)勢。陶瓷基板市場也在相當(dāng)長的時間內(nèi)被日本京瓷、日本丸和所壟斷。在國內(nèi)終端需求猛增的背景下,進口陶瓷基板在產(chǎn)品交期、價格方面逐漸無法滿足終端企業(yè)要求,下游廠商對國產(chǎn)陶瓷基板產(chǎn)業(yè)鏈的國產(chǎn)化替代需求愈發(fā)強烈。