一文搞懂陶瓷基板DPC，AMB，HTCC，DBC等工藝技術(shù)

轉(zhuǎn)自：電子制造工藝技術(shù)，作者：孔令圖

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，陶瓷基板制造五大工藝知識，以及工藝特點進(jìn)行分析，行業(yè)展望，最后我們學(xué)習(xí)一下華科大對陶瓷基板科研知識案例分享。

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)勢決定。那么陶瓷基板與陶瓷基片而言，有什么突出優(yōu)勢呢？

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，對膜電路元件及外貼切元件形成一個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，簡單來說，就是基片上沒有線路，基板上已經(jīng)蝕刻了金屬線路。

2，陶瓷基板的核心優(yōu)勢

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)；無污染、無公害。

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??；

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)無公害、無毒性；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。

劃重點陶瓷電路板的主要優(yōu)點

1：導(dǎo)熱系數(shù)高；

2：更匹配的熱膨脹系數(shù)；

3：堅固，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：無有機(jī)成分，耐宇宙射線，航空航天可靠性高，使用壽命長；

9：銅層不含氧化層，可在還原性氣氛中長期使用；

陶瓷電路板的缺點

易碎，這是最主要的一個缺點，這也就導(dǎo)致只能制作小面積的電路板。

價格貴， 電子產(chǎn)品的要求規(guī)則越來越多，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，可以說占據(jù)了電子工業(yè)的大部分領(lǐng)域，無形也促進(jìn)了電子工業(yè)的發(fā)展。如下圖陶瓷產(chǎn)品示意

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(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。

按制造工藝分類：陶瓷基板主要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)。主要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）。

圖片來源：清風(fēng)資本

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。工裝工藝示意圖如下：

LTCC在無源集成領(lǐng)域優(yōu)勢突出，廣泛用于3C、通信、汽車、軍工等市場。它可以實現(xiàn)三大無源器件（電阻、電容、電感）及其各種無源器件（如濾波器、變壓器等）封裝于多層布線基板中，并與有源器件（如功率MOS、晶體管、IC模塊等）共同集成為完整的電路系統(tǒng)（如SiP）?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種制式的手機(jī)、藍(lán)牙、GPS模塊、WLAN模塊、WIFI模塊等；此外，由于其產(chǎn)品的高可靠性，在汽車電子、通訊、航空航天與軍事、微機(jī)電系統(tǒng)、傳感器技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用也日益上升。

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。封裝工藝如下2種：

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。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。

綜上述五大工藝種中，HTCC\LTCC都屬于燒結(jié)工藝，成本都會較高。而DBC與DPC則為國內(nèi)近年來才開發(fā)成熟，且能量產(chǎn)化的專業(yè)技術(shù)，DBC是利用高溫加熱將Al2O3與Cu板結(jié)合，其技術(shù)瓶頸在于不易解決Al2O3與Cu板間微氣孔產(chǎn)生之問題，這使得該產(chǎn)品的量產(chǎn)能量與良率受到較大的挑戰(zhàn)，而DPC技術(shù)則是利用直接鍍銅技術(shù)，將Cu沉積于Al2O3基板之上，其工藝結(jié)合材料與薄膜工藝技術(shù)，其產(chǎn)品為近年最普遍使用的陶瓷散熱基板。然而其材料控制與工藝技術(shù)整合能力要求較高，這使得跨入DPC產(chǎn)業(yè)并能穩(wěn)定生產(chǎn)的技術(shù)門檻相對較高。與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，AMB陶瓷基板是靠陶瓷與活性金屬焊膏在高溫下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)來實現(xiàn)結(jié)合，因此其結(jié)合強(qiáng)度更高，可靠性更好，極適用于連接器或?qū)﹄娏鞒休d大、散熱要求高的場景。尤其是新能源汽車、軌道交通、風(fēng)力發(fā)電、光伏、5G通信等對性能要求苛刻的電力電子及大功率電子模塊對AMB陶瓷覆銅板需求巨大。

按照材料分類：陶瓷基板主要材料包括氧化鈹（BeO）、氧化鋁（Al2O3）、氮化鋁（AlN）和氮化硅（Si3N4）等。

陶瓷粉體是影響陶瓷基板物理、力學(xué)性能的關(guān)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(dǎo)率、力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響，其特性也決定了基板成型工藝、燒結(jié)工藝的選擇。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(rèn)為是未來的發(fā)展方向。Si3N4的撓曲強(qiáng)度更是得到大幅改善, 設(shè)計師們也因此而受益；其斷裂韌性甚至超過了氧化鋯摻雜陶瓷，在 90 W/mK 的熱導(dǎo)率下達(dá)到了6.5~7 MPa/√m。

下面來了解一下陶瓷基板幾大工藝技術(shù)的未來增長量以及市場分析

HTCC陶瓷基板未來市場分析：

目前中國地區(qū)是全球最大的消費市場，2022年占有26.8%的市場份額，之后是北美、日本和歐洲，分別占有17%、16.0%和15.8%。預(yù)計未來幾年，中國地區(qū)增長最快。

2022年全球HTCC市場銷售額達(dá)到了196億元，預(yù)計2029年將達(dá)到289億元，年復(fù)合增長率（CAGR）為5.67%（2023-2029）。
地區(qū)層面來看，中國市場在過去幾年變化較快，2022年市場規(guī)模為52億元，約占全球的26.8%，預(yù)計2029年將達(dá)到91.9億元，屆時全球占比將達(dá)到31.7%。

LTCC陶瓷基板未來市場分析：

5G 通信對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)計多樣靈活、高頻微波性能優(yōu)良等優(yōu)點，可應(yīng)用于5G 和萬物互聯(lián)時代的各類應(yīng)用場景以及高頻通訊移動終端，包括汽車電子、計算機(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 及萬物互聯(lián)時代的迫切需要。未來，隨著 5G 應(yīng)用、萬物互聯(lián)等市場的發(fā)展，國內(nèi)對LTCC產(chǎn)品的需求量會進(jìn)一步增加，據(jù)觀研天下預(yù)測，到2025年國內(nèi)LTCC市場規(guī)模將達(dá)到90.38億元。

DBC陶瓷基板未來市場分析：

根據(jù)阿譜爾（APO）的統(tǒng)計及預(yù)測，2022年全球DBC陶瓷基板市場銷售額達(dá)到了4.03億美元，預(yù)計2029年將達(dá)到7.67億美元，年復(fù)合增長率（CAGR）為9.71%（2023-2029）。

亞太地區(qū)是最大的市場，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，就下游來說，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陶瓷基板未來市場分析：

2022年全球DPC陶瓷基板市場規(guī)模為2.6億美元，預(yù)計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發(fā)展方向，未來幾年全球DPC陶瓷基板市場規(guī)模呈現(xiàn)持續(xù)增長態(tài)勢。

2022-2026年全球DPC陶瓷基板市場規(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陶瓷基板市場的59%。

AMB陶瓷基板未來市場分析：

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)用在電動汽車（EV）和混合動力車（HV）功率半導(dǎo)體中。未來幾年，預(yù)計氮化硅陶瓷基板（AMB-SiN）更快速增長。【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，增加對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)爭背景下，能源安全是全球重要國家核心關(guān)注點之一，將保持快速增長。

隨著SiCMOS開始供應(yīng)主驅(qū)逆變器，由于逆變器所需SiCMOS面積變大，對于陶瓷襯板的產(chǎn)能消耗量快速增長。碳化硅車型滲透率預(yù)計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陶瓷基板市場銷售額達(dá)到了4.33億美元，預(yù)計2029年將達(dá)到28.72億美元，年復(fù)合增長率（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2029年將達(dá)到174億元，

綜合來看隨著技術(shù)的提升陶瓷基板市場需求在逐年的上升，

但是大部分高精專的陶瓷基板技術(shù)還處于被國外壟斷的狀態(tài)中，所以我們還需要繼續(xù)努力創(chuàng)新追趕。

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