陶瓷基板的前史、今生现状与未来前景，预计未来5年内将达到100亿美元

关于陶瓷材料，美国等西方国家很早便开始了Al₂O₃陶瓷的研究与应用，还开展了Al₂O₃陶瓷金属化等领域的研究，这为Al₂O₃陶瓷在电子封装领域的应用提供了更加完善的技术支持和更加可靠的应用性能。

氧化铝基板，图片来源：京瓷

而日本京瓷也很早便开始了陶瓷基板的研究，据日本京瓷创始人稻盛和夫自传中介绍：

1966年4月，喜讯传来。我们得到了期望已久的IBM公司的订单——2500万个用于IC的氧化铝基板（集成电路用的电路板）。和我们一起竞争的是代表德国陶瓷制造业的领军企业卢臣泰公司和德固赛公司。

这可是1.5亿日元的大宗订单，凭此公司年销售额将可达到5亿日元。公司上下一片沸腾，大办火锅聚会，吃完后还不尽兴，又一起杀到八日市的酒馆街上海喝一通，好不热闹。

......

为此，我们立刻配备了30台自动压力机、2台大型电子炉、测量精度用的万能投影机等必要的最新机器。并且我亲临一线指挥，负责从原料的调和、成型到烧成所有的工序。

稻盛和夫在自传中表示：“京瓷基板神话”由此诞生。”

近年来，电动汽车、电力机车以及半导体照明、航空航天、卫星通信等进入高速发展阶段，电子器件向大功率化、高频化、集成化方向发展，其元器件在工作过程中产生大量热量，这些热量如不能及时散去将影响芯片的工作效率，甚至造成半导体器件损坏而失效——对于电子器件而言，通常温度每升高10℃，器件有效寿命就降低30%~50%。

因此，为保证电子器件工作过程的稳定性，对电路板的散热能力提出了更高的要求。传统的普通基板和金属基板不能满足当下工作环境下的应用。陶瓷基板具有绝缘性能好、强度高、热膨胀系数小、优异的化学稳定性和导热性能脱颖而出，是符合当下高功率器件设备所需的性能要求。

氧化铝陶瓷具有原料来源丰富、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，是一种综合性能较好的陶瓷基片材料，占陶瓷基片材料总量的80%以上。但由于其热导率相对较低（99%氧化铝热导率约为30W/（m·K）），热膨胀系数较高，一般应用在汽车电子、半导体照明、电气设备等领域。

随着应用研究的不断深入，更多的陶瓷材料受到了科研及产业界的关注。

氮化铝陶瓷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，尤其适用于导热性能要求较高的领域。

氮化铝基板

现有陶瓷基板材料中，Si₃N₄陶瓷基板以其硬度高、机械强度高、耐高温和热稳定性好、介电常数和介质损耗低、耐磨损、耐腐蚀等优异的性能，被认为是综合性能最好的陶瓷材料，目前在IGBT模块封装中得到青睐，并逐步替代Al₂O₃和AlN陶瓷基板。

氮化硅基板

除了上述陶瓷材料外，氧化铍（BeO）、碳化硅（SiC）、氮化硼（BN）等也都可作为陶瓷基板材料。

（a）SiC陶瓷基片和（b）BN陶瓷基片

其中，BeO粉体具有毒性、烧结温度高等原因限制了氧化铍的推广应用；SiC多晶体热导率仅为67W/（m·K），此外，SiC材料介电常数为40，是AlN陶瓷的4倍，限制了其高频应用。BN材料具有较好的综合性能，但作为基片材料，它没有突出优点，且价格昂贵，与半导体材料热膨胀系数也不匹配，目前仍处于研究中。

发展至今，从结构与制作工艺而言，陶瓷基板发展了HTCC、LTCC、TFC、DBC、DPC等多种形式。

来源：热管理材料整理

HTCC/LTCC基板采用多层生胚片叠加（金属通孔对准）后烧结制备，因此可实现基板内垂直互连，提高封装集成度。DPC陶瓷基板可以采用激光打孔（孔径一般为60μm~120μm）和电镀填孔技术制备金属通孔，由于孔内电镀填充致密铜柱，导电导热性能优良，因而可实现陶瓷基板上下线路层垂直互连。在此基础上，通过电镀增厚等技术制备围坝，可得到含围坝结构的三维陶瓷基板。

全球陶瓷基板市场火爆，市场规模稳步增加

根据华西证劵研究所报告显示，2020年全球陶瓷基板市场规模达到89亿美元，预计2026年全球规模将达到172.9亿美元，涨幅达到94.27%，市场前景广阔。

来源：《热管理材料》整理

高功率IGBT模块持续推动DBC/AMB陶瓷基板市场扩大

DBC陶瓷基板具有高强度、导热性能强以及结合稳定的优质性能，而AMB陶瓷基板是在DBC的基础上发展而来的，结合强度相对更高。近年来随着新能源汽车、光伏储能行业的快速发展，IGBT功率模块的需求快速增长，对于DBC、AMB陶瓷基板的需求也不断增加。目前DBC陶瓷基板主要生产厂家有罗杰斯、贺利氏集团、高丽化工等；AMB陶瓷基板主要生产厂家有罗杰斯、日本京瓷、日本丸和等。

LED需求量提高

LED芯片对于散热要求极为苛刻，车载照明将进一步提升AlN基板的需求。目前单芯片1W大功率LED已产业化，3W、5W，甚至10W的单芯片大功率LED也已推出，并部分走向市场。这使得超高亮度LED的应用面不断扩大，从特种照明的市场领域逐步走向普通照明市场。由于LED芯片输入功率的不断提高，对这些功率型LED的封装技术提出了更高的要求。而传统的基板无法承载高功率的热能，氮化铝陶瓷具有良好的导热和绝缘性能，能够提高LED功率水平和发光效率。功率LED已经在户外大型看板、小型显示器背光源、车载照明、室内及特殊照明等方面获得了大量应用。

第三代半导体SIC加速上车-AMB急速获益

SiC加速上车，AMB随之受益，Si₃N₄陶瓷基板的热膨胀系数与第3代半导体衬底SiC晶体接近，使其能够与SiC晶体材料匹配性更稳定。虽然国内AMB技术有一定积累，但产品主要是AIN-AMB基板，受制于Si₃N₄基片技术的滞后，国内尚未实现Si₃N₄-AMB的商业化生产，核心工艺被美国、德国和日本等国掌握。

结束语

鉴于陶瓷具有良好的导热性、耐热性、高绝缘、高强度、低热胀、耐腐蚀和抗辐射等优点，陶瓷基板在功率器件和高温电子器件封装中得到广泛应用。目前，陶瓷基片材料主要有Al₂O₃、AlN、Si₃N₄、SiC、BeO和BN。由于Al₂O₃和AlN具有较好的综合性能，两者分别在低端和高端陶瓷基板市场占据主流，而Si₃N₄基板由于抗弯强度高，今后有望在高功率、大温变电力电子器件（如IGBT）封装领域发挥重要作用。工艺、结构方面，今后陶瓷基板将主要继续沿着高精度、小型化、集成化方向发展。

参考来源：

[1]徐友和.电子基板表面化学法金属化技术研究

[2]陆琪等.陶瓷基板研究现状及新进展

[3]程浩等.电子封装陶瓷基板

[4]程浩等.功率电子封装用陶瓷基板技术与应用进展

[5]热设计

[6]《稻盛和夫自传》

陶瓷基板的未来前景，预计未来5年内将达到100亿美元

图片来源：Pexels

HTCC基板(高温共烧陶瓷)

LTCC基板(低温共烧陶瓷)

DPC基板(直接电镀陶瓷基板)

DBC基板(直接键合铜陶瓷基板)

AMB基板(活性金属焊接陶瓷基板)

材料方面，氮化铝、氮化硅将会起飞

2017-2021年全球及中国氮化硅陶瓷基板市场规模(单位：亿美元)

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