文章索引:首先了解陶瓷基板與陶瓷基片的區(qū)別,特性優(yōu)勢(shì),陶瓷基板制造五大工藝知識(shí),以及工藝特點(diǎn)進(jìn)行分析,行業(yè)展望,最后我們學(xué)習(xí)一下華科大對(duì)陶瓷基板科研知識(shí)案例分享
陶瓷基板目前在電子科技領(lǐng)域起著非常重要作用,核心是陶瓷基板的高導(dǎo)熱性、高絕緣性、熱導(dǎo)率等優(yōu)勢(shì)決定。那么陶瓷基板與陶瓷基片而言,有什么突出優(yōu)勢(shì)呢?
1,陶瓷基板和陶瓷基片的區(qū)別
陶瓷基片,是以電子陶瓷為基底,對(duì)膜電路元件及外貼切元件形成一個(gè)支撐底座的片狀材料。
陶瓷基板是指銅箔在高溫下直接鍵合到陶瓷基片表面(單面或雙面)上的特殊工藝板。陶瓷基板所制成的超薄復(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(qiáng)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。
總之,簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),就是基片上沒(méi)有線路,基板上已經(jīng)蝕刻了金屬線路。
2,陶瓷基板的核心優(yōu)勢(shì)
陶瓷基板機(jī)械應(yīng)力強(qiáng),形狀穩(wěn)定;高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱率、高絕緣性;結(jié)合力強(qiáng),防腐蝕;具有極好的熱循環(huán)性能,循環(huán)次數(shù)達(dá)5萬(wàn)次,可靠性高;與PCB板(或IMS基片)一樣可刻蝕出各種圖形的結(jié)構(gòu);無(wú)污染、無(wú)公害。
陶瓷基板的性能要求:
1.機(jī)械性質(zhì)
有足夠高的機(jī)械強(qiáng)度,除搭載元件外,也能作為支持構(gòu)件使用;加工性好,尺寸精度高;
2.電學(xué)性質(zhì)
絕緣電阻及絕緣破壞電壓高;
介電常數(shù)低;
介電損耗小;
在溫度高、濕度大的條件下性能穩(wěn)定,確保可靠性。
3.熱學(xué)性質(zhì)
熱導(dǎo)率高;
熱膨脹系數(shù)與相關(guān)材料匹配(特別是與Si的熱膨脹系數(shù)要匹配);
耐熱性優(yōu)良。
4.其它性質(zhì)
化學(xué)穩(wěn)定性好;容易金屬化,電路圖形與其附著力強(qiáng);
無(wú)吸濕性;耐油、耐化學(xué)藥品;a射線放出量??;
所采用的物質(zhì)無(wú)公害、無(wú)毒性;在使用溫度范圍
內(nèi)晶體結(jié)構(gòu)不變化
陶瓷基板也有成為陶瓷電路板、陶瓷線路板、陶瓷pcb板等,陶瓷基板根據(jù)陶瓷基片材料不同,可以分為氧化鋁陶瓷基板、氮化鋁陶瓷基板、氮化硅陶瓷基板、碳化硅陶瓷基板等,根據(jù)不同工藝又可以分為DPC陶瓷基板、DBC陶瓷基板、AMB陶瓷基板、HTCC陶瓷基板、LTCC陶瓷基板等;根據(jù)層數(shù)可以分為單、雙面陶瓷基板、多層陶瓷基板。陶瓷基板具備良好的綜合電氣性能,陶瓷基片更多是作為基底,支撐和散熱、絕緣作用。
劃重點(diǎn)陶瓷電路板的主要優(yōu)點(diǎn)
1:導(dǎo)熱系數(shù)高;
2:更匹配的熱膨脹系數(shù);
3:堅(jiān)固,低阻抗的金屬膜層;
4:基材可焊接性好,使用溫度高;
5:絕緣性好;
6:低頻損耗;
7:可以進(jìn)行高密度組裝;
8:無(wú)有機(jī)成分,耐宇宙射線,航空航天可靠性高,使用壽命長(zhǎng);
9:銅層不含氧化層,可在還原性氣氛中長(zhǎng)期使用;
陶瓷電路板的缺點(diǎn)
易碎,這是最主要的一個(gè)缺點(diǎn),這也就導(dǎo)致只能制作小面積的電路板。
價(jià)格貴, 電子產(chǎn)品的要求規(guī)則越來(lái)越多,陶瓷電路板還是用在一些比較高端的產(chǎn)品上面,低端的產(chǎn)品根本不會(huì)使用到。
陶瓷電路板應(yīng)用范圍
陶瓷電路板可應(yīng)用于LED,大功率功率半導(dǎo)體模塊,半導(dǎo)體冷卻器,電子加熱器,功率控制電路,功率混合電路,智能功率組件,高頻開(kāi)關(guān)電源,固態(tài)繼電器,汽車領(lǐng)域在電子,通信,航空航天和軍用電子元件等領(lǐng)域,可以說(shuō)占據(jù)了電子工業(yè)的大部分領(lǐng)域,無(wú)形也促進(jìn)了電子工業(yè)的發(fā)展。如下圖陶瓷產(chǎn)品示意
現(xiàn)階段較普遍的陶瓷散熱基板種類有:HTCC,LTCC,DBC,DPC,AMB等。
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(diǎn)的W、Mo等金屬圖案進(jìn)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(duì)昂,促使了LTCC的發(fā)展。封裝工藝圖如下:
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(guò)將多個(gè)印有金屬圖案的陶瓷膜片堆疊共燒,實(shí)現(xiàn)電路在三維空間布線。工裝工藝示意圖如下:
DBC(Direct Bonded Copper,直接覆銅):通過(guò)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。封裝工藝如下
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(lái)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(rùn)濕并反應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬異質(zhì)鍵合。
HTCC陶瓷基板未來(lái)市場(chǎng)分析:
目前中國(guó)地區(qū)是全球最大的消費(fèi)市場(chǎng),2022年占有26.8%的市場(chǎng)份額,之后是北美、日本和歐洲,分別占有17%、16.0%和15.8%。預(yù)計(jì)未來(lái)幾年,中國(guó)地區(qū)增長(zhǎng)最快。
2022年全球HTCC市場(chǎng)銷售額達(dá)到了196億元,預(yù)計(jì)2029年將達(dá)到289億元,年復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)為5.67%(2023-2029)。
地區(qū)層面來(lái)看,中國(guó)市場(chǎng)在過(guò)去幾年變化較快,2022年市場(chǎng)規(guī)模為52億元,約占全球的26.8%,預(yù)計(jì)2029年將達(dá)到91.9億元,屆時(shí)全球占比將達(dá)到31.7%。
LTCC陶瓷基板未來(lái)市場(chǎng)分析:
5G 通信對(duì)終端電子元器件提出了小型化、輕量化、低成本、高性能的技術(shù)發(fā)展要求,LTCC具有成本低、設(shè)計(jì)多樣靈活、高頻微波性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn),可應(yīng)用于5G 和萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代的各類應(yīng)用場(chǎng)景以及高頻通訊移動(dòng)終端,包括汽車電子、計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能家居、高頻通訊等。發(fā)展高性能LTCC產(chǎn)品將成為 5G 及萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代的迫切需要。未來(lái),隨著 5G 應(yīng)用、萬(wàn)物互聯(lián)等市場(chǎng)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)對(duì)LTCC產(chǎn)品的需求量會(huì)進(jìn)一步增加,據(jù)觀研天下預(yù)測(cè),到2025年國(guó)內(nèi)LTCC市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到90.38億元。
DBC陶瓷基板未來(lái)市場(chǎng)分析:
根據(jù)阿譜爾(APO)的統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè),2022年全球DBC陶瓷基板市場(chǎng)銷售額達(dá)到了4.03億美元,預(yù)計(jì)2029年將達(dá)到7.67億美元,年復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)為9.71%(2023-2029)。
全球DBC陶瓷基板(DBC Ceramic Substrate)的核心廠商包括Rogers Corporation、Ferrotec、KCC、合肥圣達(dá)、賀利氏等。前五大廠商占據(jù)了全球約80%的份額。亞太地區(qū)是最大的市場(chǎng),份額約為68%,其次是歐洲和北美,份額分別為24%和7%。就產(chǎn)品類型而言,氧化鋁及ZTA DBC陶瓷基板是最大的細(xì)分,占有大約85%的份額,就下游來(lái)說(shuō),新能源汽車是最大的下游領(lǐng)域,占有59%份額。
目前DBC陶瓷基板上游陶瓷粉體和白板,主要由日本廠商主導(dǎo)。目前氮化鋁陶瓷基板白板和氧化鋁陶瓷基板白板方面,國(guó)內(nèi)已有廠商占有重要份額,但在高端領(lǐng)域,依然由日本廠商主導(dǎo)。
DPC陶瓷基板未來(lái)市場(chǎng)分析:
2022年全球DPC陶瓷基板市場(chǎng)規(guī)模為2.6億美元,預(yù)計(jì)2023年有望達(dá)到2.73億美元。DPC陶瓷封裝基板更加符合高密度、高精度和高可靠性的未來(lái)發(fā)展方向,未來(lái)幾年全球DPC陶瓷基板市場(chǎng)規(guī)模呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。
2022-2026年全球DPC陶瓷基板市場(chǎng)規(guī)模情況
全球DPC陶瓷基板主要應(yīng)用于LED領(lǐng)域,占了69%的比重,全球DPC陶瓷基板生產(chǎn)企業(yè)眾多,TOP4企業(yè)占全球DPC陶瓷基板市場(chǎng)的59%。
AMB陶瓷基板未來(lái)市場(chǎng)分析:
目前,采用 AMB工藝的氮化鋁陶瓷基板(AMB-AlN)主要用于高鐵、高壓變換器、直流送電等高壓、高電流功率半導(dǎo)體中;采用AMB工藝的氮化硅陶瓷基板(AMB-SiN)主要應(yīng)用在電動(dòng)汽車(EV)和混合動(dòng)力車(HV)功率半導(dǎo)體中。未來(lái)幾年,預(yù)計(jì)氮化硅陶瓷基板(AMB-SiN)更快速增長(zhǎng)。【AMB陶瓷基板】得益于新能源汽車強(qiáng)勁需求,使得功率模塊需求快速增長(zhǎng),增加對(duì)AMB陶瓷基板的需求;此外,新能源發(fā)電,尤其是光伏、風(fēng)電等,在俄烏戰(zhàn)爭(zhēng)背景下,能源安全是全球重要國(guó)家核心關(guān)注點(diǎn)之一,將保持快速增長(zhǎng)。
隨著SiCMOS開(kāi)始供應(yīng)主驅(qū)逆變器,由于逆變器所需SiCMOS面積變大,對(duì)于陶瓷襯板的產(chǎn)能消耗量快速增長(zhǎng)。碳化硅車型滲透率預(yù)計(jì)2024年快速提升,新能源汽車領(lǐng)域成為AMB陶瓷基板最大需求領(lǐng)域。其中,2022年全球AMB陶瓷基板市場(chǎng)銷售額達(dá)到了4.33億美元,預(yù)計(jì)2029年將達(dá)到28.72億美元,年復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)為26.0%(2023-2029)。AMB陶瓷基板行業(yè)研究功課新型技術(shù)后,預(yù)計(jì)2029年將達(dá)到174億元,