引言

電路板被很多人譽為電子產(chǎn)品之母，它是計算機、手機等消費電子產(chǎn)品的關(guān)鍵部件，在醫(yī)療、航空、新能源、汽車等行業(yè)有著廣泛應(yīng)用。縱觀全球技術(shù)發(fā)展簡史，每一次技術(shù)進(jìn)步都直接或間接影響著全人類。在電路板誕生之前，電子設(shè)備都包含許多電線，它們不僅會糾纏在一起，占用大量空間，而且短路的情況也不罕見。這個問題對于電路相關(guān)的工作人員來說是個非常頭疼的問題。1925年，來自美國的Charles Ducas提出了一個前所未有的想法，即在絕緣基板上印刷電路圖案，隨后進(jìn)行電鍍以制造用于布線的導(dǎo)體，專業(yè)術(shù)語“PCB”由此而來，這種方法使制造電器電路變得更為簡單。

當(dāng)今世界科技飛速發(fā)展促進(jìn)電子器件向集成化、微型化、高功率密度的方向發(fā)展，因此給電子器件散熱帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。良好散熱效果依賴于優(yōu)異的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱界面材料、散熱基板、封裝制造工藝等?；遄鳛槌休d集成電路芯片的載體，與電路直接接觸，電路產(chǎn)生的熱量需要通過基板向外疏散。選擇一種兼具高熱導(dǎo)率與良好電絕緣性的基板材料成為解決當(dāng)下電子器件散熱問題的關(guān)鍵。

由于傳統(tǒng)覆銅板由于低的熱導(dǎo)率以及具有導(dǎo)電性限制了在當(dāng)今高功率器件中的應(yīng)用。因此開發(fā)出具有高熱導(dǎo)率和良好的電氣互連的基板材料成為了當(dāng)下的研究重點方向。目前市面上的PCB從材料大類上來分主要可以分為三種：普通基板、金屬基板、陶瓷基板。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。

介紹

1.1 陶瓷粉體

目前常用的高導(dǎo)熱陶瓷粉體原料有氧化鋁（Al2O3）、氮化鋁（AlN）、氮化硅（Si3N4）、碳化硅（SiC）和氧化鈹（BeO）等。隨著國家大力發(fā)展綠色環(huán)保方向，由于氧化鈹有毒性逐漸開始退出歷史的舞臺。碳化硅又因為其絕緣性差，無法應(yīng)用在微電子電路中。而Al2O3、AlN、Si3N4陶瓷粉體具有無毒、高溫穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱性好，以及與Si、SiC和GaAs等半導(dǎo)體材料相匹配的熱膨脹系數(shù)，得到了廣泛推廣應(yīng)用。幾種粉體的熱導(dǎo)率和綜合評價如下表所示，目前主流用于制備陶瓷基板的粉體原料還是以氧化鋁和氮化鋁為主。

市場中粉體的制備方法主要有硅粉直接氮化法、自蔓延高溫合成法、碳熱還原法。

（1）硅粉直接氮化法和自蔓延高溫合成法是比較主流的方法，但由于反應(yīng)溫度接近甚至超過原料的熔點，往往造成產(chǎn)物形貌不規(guī)則、ɑ相含量低、團聚嚴(yán)重，需要進(jìn)一步破碎，在后續(xù)處理中容易引入其他雜質(zhì)；

（2）碳熱還原法是具有原料豐富、工藝簡單、成本低等優(yōu)點，非常適合大批量生產(chǎn)；其中碳熱還原法成為目前最常用的粉體制備技術(shù)之一。

1.2 陶瓷基板制備工藝

預(yù)燒階段：在這個階段，陶瓷制品會被放入爐子中進(jìn)行預(yù)燒處理，用來去除陶瓷中的水分和有機物質(zhì)。高溫下，水分和有機物質(zhì)會被分解并釋放出來，讓制品干燥且有機物質(zhì)燃燒殆盡。這一階段的主要目的是為了減少燒結(jié)時產(chǎn)生的氣泡等缺陷。

燒結(jié)階段：在預(yù)燒之后，制品會被加熱到高溫下進(jìn)行燒結(jié)。這個階段是陶瓷工藝中最關(guān)鍵的一步，也是最困難的一步。在高溫下，陶瓷顆粒會開始熔化和結(jié)合在一起，形成一個堅固的陶瓷結(jié)構(gòu)。這一階段需要控制好溫度、時間和壓力等因素，使得陶瓷能夠充分結(jié)合，而不會出現(xiàn)燒結(jié)不完全或者表面開裂等缺陷。

冷卻階段：在燒結(jié)完成后，制品需要進(jìn)行冷卻，使得陶瓷結(jié)構(gòu)能夠逐漸穩(wěn)定下來。如果制品過早地被取出爐子，容易導(dǎo)致熱應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋。因此，一般會采取緩慢冷卻的方式，讓制品溫度逐漸降下來。在冷卻過程中，還需要將爐門緩慢地打開，逐漸將爐內(nèi)壓力和爐外壓力平衡，以避免制品瞬間受到外界壓力而發(fā)生破裂。

高導(dǎo)熱性非金屬固體通常具備以下４個條件：構(gòu)成的原子要輕、原子間的結(jié)合力要強、晶格結(jié)構(gòu)要單純、晶格振動的對稱性要高。陶瓷材料的導(dǎo)熱性的影響因素：（1）原料粉體，原料粉體的純度、粒度、物相會對材料的熱導(dǎo)率、力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。由于非金屬的傳熱機制為聲子傳熱，當(dāng)晶格完整無缺陷時，聲子的平均自由程越大，熱導(dǎo)率越高，而晶格中的氧往往伴隨著空位、位錯等結(jié)構(gòu)缺陷，顯著地降低了聲子的平均自由程，導(dǎo)致熱導(dǎo)率降低；

陶瓷基板金屬化

目前導(dǎo)熱的陶瓷基板可分為HTCC（高溫共燒多層陶瓷）、LTCC（低溫共燒陶瓷）、DBC（直接鍵合銅陶瓷基板） 和DPC（直接鍍銅陶瓷基板）、活性金屬纖焊陶瓷基板（AMB）等幾種形式，其特點如下。

對于大功率器件而言，基板除具備基本的機械支撐與電互連功能外，還要求具有高的導(dǎo)熱性能。因為HTCC/LTCC的熱導(dǎo)率較低，因此在高功率的器件以及IGBT模組的使用場景中散熱基板目前主要以DBC、DPC、AMB三種金屬化技術(shù)為主。

2.1 DPC技術(shù)

DPC技術(shù)是先其制作首先將陶瓷基片進(jìn)行前處理清洗，利用真空濺射方式在基片表面沉積 Ti/Cu 層作為種子層，接著以光刻、顯影、刻蝕工藝完成線路制作，最后再以電鍍/化學(xué)鍍方式增加線路厚度，待光刻膠去除后完成基板制作。 關(guān)鍵技術(shù)涉及激光打技術(shù)、避免孔壁熔渣、鍍銅的一致性、填孔效果等。

DPC 技術(shù)具有如下優(yōu)點：(1) 低溫工藝（300 ℃以下），完全避免了高溫對材料或線路結(jié)構(gòu)的不利影響，也降低了制造工藝成本；(2) 采用薄膜與光刻顯影技術(shù)，使基板上的金屬線路更加精細(xì)（線寬尺寸 20~30 m，表面平整度低于 0.3 m，線路對準(zhǔn)精度誤差小于±1%），因此 DPC 基板非常適合對準(zhǔn)精度要求較高的電子器件封裝。 

2.2 DBC技術(shù)

DBC是陶瓷基片與銅箔在高溫下（1065℃）共晶燒結(jié)而成，最后根據(jù)布線要求，以刻蝕方式形成線路。由于銅箔具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱能力，而氧化鋁能有效控制 Cu-Al2O3- Cu 復(fù)合體的膨脹，使 DBC 基板具有近似氧化鋁的熱膨脹系數(shù)。關(guān)鍵技術(shù)涉及鍵合工藝、如何減少孔隙、翹曲的控制、精確控溫、氧化層的控制等。

DBC 具有導(dǎo)熱性好、 絕緣性強、可靠性高等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于 IGBT、LD 和 CPV 封裝。DBC 缺點在于， 其利用了高溫下 Cu 與 Al2O3間的共晶反應(yīng)，對設(shè)備和工藝控制要求較高，基板成本較高；由于 Al2O3 與 Cu 層間容易產(chǎn)生微氣孔，降低了產(chǎn)品抗熱沖擊性；由于銅箔在高溫下容易翹曲變形。

2.3 AMB技術(shù)

AMB工藝是金屬釬料實現(xiàn)氮化鋁與無氧銅的高溫結(jié)合，以結(jié)合強度高、冷熱循環(huán)可靠性好等優(yōu)點，不僅具有更高的熱導(dǎo)率、更好的銅層結(jié)合力，而且還有熱阻更小、可靠性更高等優(yōu)勢。AMB陶瓷基板缺點在于工藝的可靠性很大程度上取決于活性釬料成分、焊工藝、舒焊層組織結(jié)構(gòu)等諸多關(guān)鍵因素，工藝難度大，而且還要兼顧成本方面的考慮。

應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 高鐵、新能源汽車、風(fēng)力、5G基站用IGBT模塊 

由于 IGBT輸出功率高，發(fā)熱量大，散熱不良將損壞 IGBT 芯片，因此對 IGBT封裝而言，散熱是關(guān)鍵，必須選用陶瓷基板強化散熱。氮化鋁、氮化硅陶瓷基板具有熱導(dǎo)率高、與硅匹配的熱膨脹系數(shù)、高電絕緣等優(yōu)點，非常適用于 IGBT 以及功率模塊的封裝。廣泛應(yīng)用于軌道交通、航天航空、電動汽車、風(fēng)力、太陽能發(fā)電等領(lǐng)域。

LED封裝

縱觀LED技術(shù)發(fā)展，功率密度不斷提高，對散熱的要求也越來越高。由于陶瓷具有的高絕緣、高導(dǎo)熱和耐熱、低膨脹等特性，特別是采用通孔互聯(lián)技術(shù)，可有效滿足LED倒裝、共晶、COB(板上芯片)、CSP(芯片規(guī)模封裝)、WLP (圓片封裝)封裝需求，適合中高功率LED封裝。

光伏/芯片模組

光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理，利用太陽能電池將太陽光直接轉(zhuǎn)化為電能。由于聚焦作用導(dǎo)致太陽光密度增加，芯片溫度升高，必須采用陶瓷基板強化散熱。實際應(yīng)用中，陶瓷基板表面的金屬層通過熱界面材料(TIM)分別與芯片和熱沉連接，熱量通過陶瓷基板快速傳導(dǎo)到金屬熱沉上，有效提高了系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換效率與可靠性。

行業(yè)分析

陶瓷基板具備散熱性好、耐熱性好、熱膨脹系數(shù)與芯片材料匹配、絕緣性好等優(yōu)點，被廣泛用于大功率電子模塊、航空航天、軍工電子等產(chǎn)品。高功率IGBT、SiC 功率器件搭載上車，刺激上游陶瓷基板的需求，推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展，近期多個公司宣布陶瓷基板項目的投產(chǎn)或擴建計劃。

全球陶瓷基板市場火爆，市場規(guī)模穩(wěn)步增加

根據(jù)華西證劵研究所報告顯示，2020 年全球陶瓷基板市場規(guī)模達(dá)到 89 億美元，預(yù)計 2026 年全球規(guī)模將達(dá)到 172.9 億美元，漲幅達(dá)到 94.27%，市場前景廣闊。

高功率IGBT模塊持續(xù)推動DBC/AMB陶瓷基板市場擴大

DBC 陶瓷基板具有高強度、 導(dǎo)熱性能強以及結(jié)合穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)性能，而 AMB 陶瓷基板是在 DBC 的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的， 結(jié)合強度相對更高。近年來隨著新能源汽車、光伏儲能行業(yè)的快速發(fā)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(chǎn)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(chǎn)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(jìn)一步提升 AlN 基板的需求。 目前單芯片 1W 大功率 LED 已產(chǎn)業(yè)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(yīng)用面不斷擴大，從特種照明的市場領(lǐng)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(shù)提出了更高的要求。而傳統(tǒng)的基板無法承載高功率的熱能，氮化鋁陶瓷具有良好的導(dǎo)熱和絕緣性能，能夠提高 LED 功率水平和發(fā)光效率。功率 LED 已經(jīng)在戶外大型看板、小型顯示器背光源、車載照明、室內(nèi)及特殊照明等方面獲得了大量應(yīng)用。DPC 陶瓷基板憑借其電路精度高且制備溫度低的特點，被廣泛用于高精度、小體積封裝產(chǎn)品中，在高功率發(fā)光二極管中被廣泛使用。數(shù)據(jù)顯示，2020 年 DPC 陶瓷基板全球市場規(guī)模達(dá)到 12 億美元，預(yù)計 2026 年達(dá)到 17 億美元。

第三代半導(dǎo)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(shù)與第 3代半導(dǎo)體襯底SiC晶體接近，使其能夠與SiC晶體材料匹配性更穩(wěn)定。雖然國內(nèi)AMB 技術(shù)有一定積累，但產(chǎn)品主要是 AIN-AMB基板，受制于Si3N4基片技術(shù)的滯后，國內(nèi)尚未實現(xiàn)Si3N4-AMB的商業(yè)化生產(chǎn),核心工藝被美國 Rogers、德國 Heraeus和日本京瓷、東芝高材、韓國 KCC 等國外企業(yè)掌握。

總結(jié)