一、相較于普通基板和金屬基板,陶瓷基板導熱、散熱性能突出
觀研報告網發布的《中國陶瓷基板行業發展深度研究與未來前景預測報告(2024-2031年)》顯示,封裝基板是半導體封裝重要組成材料,常用的封裝基板材料包括塑封料、金屬封裝基片、陶瓷基板三類。提升散熱能力、保證高功率電子器件穩定性是陶瓷基板相較于其他基板最主要的優勢。
電子器件目前正朝著集成化、大功率化、高頻化的方向發展,元器件工作會產生大量熱量,一般溫度提升 10℃,電子器件的有效壽命就要降低 30%-50%,因此對元器件的散熱要求進一步提高。相較于普通基板和金屬基板,陶瓷基板導熱性能突出,更符合高功率器件的散熱要求,一般主要應用在功率電子器件如大功率 LED(發光二極管)、LD(激光二極管)、IGBT(絕緣柵雙極晶體管)等。
陶瓷封裝基板核心是幫助功率芯片熱量向外傳導,很大程度上決定了功率電子器件的穩定性。
陶瓷基板用材料需滿足的性能要求
性能要求 | 性能要求 |
高熱導率 | 滿足器件散熱需求 |
耐熱性好 | 滿足功率器件高溫(大于200℃)應用需求 |
熱膨脹系數匹配 | 與芯片材料熱膨脹系數匹配,降低封裝熱應力 |
介電常數小 | 高頻特性好,降低器件信號傳輸時間,提高信號傳輸速率 |
機械強度高 | 滿足器件封裝與應用過程中力學性能要求 |
耐腐蝕性好 | 能夠耐受強酸、強堿、沸水、有機溶液等侵蝕 |
結構致密 | 滿足電子器件氣密封裝需求 |
資料來源:觀研天下整理
二、陶瓷粉體是陶瓷基板關鍵原材料,氧化鋁粉體應用最為廣泛
陶瓷粉體是影響陶瓷基板物理、力學性能的關鍵因素。粉體的純度、粒度、物相、氧含量等會對陶瓷基板的熱導率、力學性能產生重要影響,其特性也決定了基板成型工藝、燒結工藝的選擇。陶瓷粉體占陶瓷基板成本的10%-15%。
目前常用的陶瓷基板粉體材料有氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)、氮化硅(Si3N4)等。Al2O3 優勢主要體現在低成本、耐熱沖擊性好,因此應用最為廣泛,缺點在熱導率相對其他粉體不夠高,且熱膨脹系數與芯片不夠匹配,粉體價格一般不超過 20000 元/噸,普通產品為6000-7000 元/噸;AlN 相較于 Al2O3 有著更高的熱導率,熱膨脹系數更低,但成本高于 Al2O3,一般更適用于對導熱性能要求較高的領域,粉體價格一般國內 30-40 萬元/噸,進口一般單噸上百萬元;Si3N4 硬度大、強度高、熱膨脹系數小、耐腐蝕性高,整體綜合性能較強,但其制備難度大,價格高,主要應用在 SiC 功率器件封裝;另 BeO 雖然熱導率較高,但存在毒性及高生產成本限制,影響其應用。
陶瓷基板用粉體材料分類及性能對比
材 料 | 純 度/% | 熱導率/(W·m- 1·K- 1) | 熱膨脹系數/(10- 6·℃- 1) | 電阻率/(Ω·m) | 相對介電常 數 | 損耗角正切 值 | 擊穿電場強度/(kV·mm- 1) | 抗彎強度/Mpa | 抗彎強度/Mpa |
AL2O3 | 99 | 29 | 7.2 | >1015 | 9.7 | 1 | 10 | 25 | 370 |
ALN | 99 | 150 | 4 | >1014 | 8.9 | 5 | 15 | 12 | 310 |
BeO | 99 | 310 | 7.5 | >1014 | 6.7 | 4 | 10 | 12 | 350 |
Si3N4 | 99 | 106 | 3 | >1014 | 9.4 | 8 | 100 | 20 | 320 |
SiC | 99 | 270 | 3.7 | >1014 | 40 | 50 | 0.07 | 25 | 450 |
資料來源:觀研天下整理
三、陶瓷基板市場規模保持增長,其中DPC、HTCC發展速度較快
陶瓷基板按照工藝可分為平面陶瓷基板和三維陶瓷基板,應用場景領域有所差異。DBC、DPC、AMB 分別為直接覆銅陶瓷基板、直接鍍銅陶瓷基板、活性金屬焊接陶瓷基板,均屬于平面陶瓷基板,主要應用于 IGBT、LED、高溫傳感器等領域。LTCC 和 HTCC 采用了多層疊壓共燒工藝,可以制備出含腔體的多層結構,體現的是三維工藝,滿足電子器件的氣密封裝要求,因此一般也被稱之為陶瓷管殼,主要應用在航空航天等環境惡劣以及對可靠性要求高的光通信等領域。
陶瓷基板分類及性能對比
性能指標
HTCC
LTCC
TFC
DBC
DPC
綜合熱導率/W·(m·℃)- 1
16~20
2.0~3.0
20~25
20~25
20~25
CTE/10-
6℃- 1
5.0~6.0
6.0~8.0
6.0~8.0
6.0~8.0
6.0~8.0
制備工藝溫度/℃
1300~1600
850~900
強
1065
200~300
金屬層厚度/μm
-
-
10~20
100~600
10~100
金屬層附著力
-
-
強
強
較強
載流能力
良
良
良
優
良
表面平整度(翹曲)
-
-
良
一般
優
耐熱沖擊性
優
優
優
良
良
圖形精度/μm
>200
>200
200
>100
10~30
耐熱性/攝氏度
500
500
300~500
500~800
500~600
通孔垂直集成
可以
可以
可以,困難
不可以
可以
主要應用領域
航空航天、光通信、氣密封裝
航空航天、光通信、氣密封裝
汽車電子、高溫傳感器/LED
IGBT/LD/CPV
LED
綜合成本
很高
高
較低
高
較高
資料來源:觀研天下整理
近年來全球陶瓷基板市場規??焖僭鲩L,2021年達62.8億美元,其中DPC、HTCC市場規模較高,均超20億美元,分別為21億美元、22億美元,分別占比33.4%、35.0%。隨著下游市場向好,預計全球陶瓷基板市場規模將保持增長,2029年達110.8億美元,其中DPC、HTCC市場規模分別增至29.6億美元、38.7億美元,分別占比26.7%、34.9%。
數據來源:觀研天下數據中心整理
數據來源:觀研天下數據中心整理
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四、日本企業占據陶瓷基板產業鏈主導,國產替代空間大
縱觀陶瓷基板產業鏈,鮮有企業能夠打通垂直產業鏈,形成粉體、基片、基板的一體化優勢。陶瓷基板的工藝壁壘體現在粉體制備、陶瓷基片制備、陶瓷基板制備三大環節,且靠近上游壁壘越高,粉體制備一般是技術難度最高的環節。
日本企業占據陶瓷基板產業鏈主要份額,國產替代空間大。從粉體制備角度來看,日本廠商占據全球份額 70%,國瓷材料預計市場份額在 5%左右。從各細分品類來看,目前國內氧化鋁已經基本實現了國產替代,氮化鋁粉體仍舊高度依賴于日本進口(占中國市場份額 60%),進口粉體雖然質量優良,但是價格更高、且存在原材料斷供風險;氮化硅粉體目前國內主要有少數幾家廠商量產。下游基板領域目前仍主要被日本京瓷、東芝材料等企業占據,氮化硅基板基本由日本企業主導(占全球產量 60%)。
數據來源:觀研天下數據中心整理
數據來源:觀研天下數據中心整理(zlj)
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