電路板被很多人譽為電子產品之母，它是計算機、手機等消費電子產品的關鍵部件，在醫療、航空、新能源、汽車等行業有著廣泛應用。縱觀全球技術發展簡史，每一次技術進步都直接或間接影響著全人類。在電路板誕生之前，電子設備都包含許多電線，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，隨后進行電鍍以制造用于布線的導體，專業術語“PCB”由此而來，這種方法使制造電器電路變得更為簡單。

當今世界科技飛速發展促進電子器件向集成化、微型化、高功率密度的方向發展，因此給電子器件散熱帶來了嚴峻的挑戰。良好散熱效果依賴于優異的散熱結構設計、熱界面材料、散熱基板、封裝制造工藝等。基板作為承載集成電路芯片的載體，與電路直接接觸，電路產生的熱量需要通過基板向外疏散。選擇一種兼具高熱導率與良好電絕緣性的基板材料成為解決當下電子器件散熱問題的關鍵。

由于傳統覆銅板由于低的熱導率以及具有導電性限制了在當今高功率器件中的應用。因此開發出具有高熱導率和良好的電氣互連的基板材料成為了當下的研究重點方向。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。傳統的普通基板和金屬基板不能滿足當下工作環境下的應用。陶瓷基板具有絕緣性能好、強度高、熱膨脹系數小、優異的化學穩定性和導熱性能脫穎而出，是符合當下高功率器件設備所需的性能要求。

01

介紹

陶瓷基板制備工藝流程多、流程復雜繁瑣，一款導熱性能優異的陶瓷基板離不開性能優異的粉體、精細的制備技術和嚴苛的測試。

1.1 陶瓷粉體

目前常用的高導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。隨著國家大力發展綠色環保方向，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，無法應用在微電子電路中。而Al2O3、AlN、Si3N4陶瓷粉體具有無毒、高溫穩定性好、導熱性好，以及與Si、SiC和GaAs等半導體材料相匹配的熱膨脹系數，得到了廣泛推廣應用。幾種粉體的熱導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。

來源：熱管理材料整理

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，但由于反應溫度接近甚至超過原料的熔點，往往造成產物形貌不規則、ɑ相含量低、團聚嚴重，需要進一步破碎，在后續處理中容易引入其他雜質；

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

1.2陶瓷基板制備工藝

流延成型技術是標準的濕法成型工藝，可一次性成型制備厚度范圍在幾十微米到毫米級別的陶瓷生坯，并通過進一步的層壓、脫脂、燒結形成陶瓷基片，主要應用于電子基板、多層電容器、多層封裝、壓電陶瓷等。與傳統的粉末冶金干法制備工藝相比，流延工藝制備出的陶瓷薄片均勻性好、通透性高，在要求比較高的集成電路 領域深受歡迎。陶瓷基板常用的成型方法主要以流延成型為主。流延工藝的流程圖如下所示：來源：陶瓷材料流延成型工藝的研究進展

流延漿料是流延成型的重要組成部分，根據溶劑性質的不同，流延漿料又分為有機流延成型工藝和水基流延成型工藝。（1）陶瓷粉體是流延漿料的主相，是坯片的主要成分， 影響著流延成品的導熱性、電阻率、介電常數、化學穩定 性以及機械強度。陶瓷粉體的顆粒尺寸、粒度分布以及粉體的結晶形貌都對流延工藝以及流延膜的質量有較大影響， 因此在選擇粉體的時候需要考慮以下特征：化學純度、顆粒尺寸、粉體形貌；（2）粘結劑作為流延漿料體系的唯一連續相，它能包裹住粉料顆粒，并固化形成三維立體結構，增加流延膜的強度。粘結劑和增塑劑共同作用可以提高生坯片的強 度，并改善韌性與延展性，便于生坯片與載體膜的脫離以及后續加工；（3）粉體顆粒在漿料中的分散性和均勻性與流延膜的 品質息息相關。解決粉體團聚的主要方式有物理分散與化學分散，而在漿料中加入分散劑是流延技術中最常用的手段；（4）除上述成分外，流延漿料還會加入一些功能性添加 劑來改善流延膜制備過程產生的缺陷，如消泡劑、潤滑 劑、均質劑、絮凝劑、控流劑等；

1.4陶瓷燒結燒結是利用熱能使粉末坯體致密化的技術，其具體的定義是指多孔狀態的坯體在高溫條件下，表面積減小，孔隙率降低，力學性能（機械強度等）提高的致密化過程。坯體在燒結過程中要發生一系列的物理化變化，如膨脹，收縮，氣體的產生，液相的出現，舊晶相的消失，新晶相的形成等。在不同的溫度，氣氛條件下，所發生變化的內容與程度也不相同，從而形成不同的晶相組成和顯微結構，決定了陶瓷制品不同的質量和性能。

燒結可分為有液相參加的燒結和純固相燒結兩類。燒結過程對陶瓷生產具有很重要的意義。為降低燒結溫度，擴大燒成范圍，通常加入一些添加物作助熔劑，形成少量液相，促進燒結。陶瓷燒結是陶瓷加工中的一種重要工藝，其過程分為三個階段：預燒階段、燒結階段和冷卻階段。

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

燒結階段：在預燒之后，制品會被加熱到高溫下進行燒結。這個階段是陶瓷工藝中最關鍵的一步，也是最困難的一步。在高溫下，陶瓷顆粒會開始熔化和結合在一起，形成一個堅固的陶瓷結構。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合，而不會出現燒結不完全或者表面開裂等缺陷。

冷卻階段：在燒結完成后，制品需要進行冷卻，使得陶瓷結構能夠逐漸穩定下來。如果制品過早地被取出爐子，容易導致熱應力而產生裂紋。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，逐漸將爐內壓力和爐外壓力平衡，以避免制品瞬間受到外界壓力而發生破裂。

1.5 陶瓷材料的導熱性影響因素

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

（2）在燒結過程，添加的燒結助劑中可以與陶瓷粉體表面的原生氧化物發生反應，形成低熔點的共晶熔液，利用液相燒結機理實現致密化。然而，燒結助劑所形成的晶界相自身的熱導率較低，對陶瓷熱導率具有不利影響，特別地，如氮化硅陶瓷常用的Al2O3燒結助劑，在高溫下會與氮化硅和其表面氧化物形成SiAlON固溶體，造成晶界附近的晶格發生畸變，對聲子傳熱產生阻礙，從而大幅度降低氮化硅陶瓷的熱導率。因此選用適合的燒結助劑，制定合理的配方體系是提升氮化硅熱導率的關鍵途徑.

02

陶瓷基板金屬化

目前導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。

來源：熱管理材料整理

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，還要求具有高的導熱性能。因為HTCC/LTCC的熱導率較低，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三種金屬化技術為主。

2.1DPC技術

DPC技術是先其制作首先將陶瓷基片進行前處理清洗，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/化學鍍方式增加線路厚度，待光刻膠去除后完成基板制作。關鍵技術涉及激光打技術、避免孔壁熔渣、鍍銅的一致性、填孔效果等。

來源：AIN應用性能出眾，國產替代機遇顯著

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

2.2DBC技術

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

來源：AIN應用性能出眾，國產替代機遇顯著

DBC 具有導熱性好、 絕緣性強、可靠性高等優點，已廣泛應用于 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，對設備和工藝控制要求較高，基板成本較高；由于Al2O3與 Cu 層間容易產生微氣孔，降低了產品抗熱沖擊性；由于銅箔在高溫下容易翹曲變形。

2.3AMB技術

AMB 技術是指，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，從而實現陶瓷與金屬異質鍵合的一種工藝技術。AMB陶瓷基板，首先通過絲網印刷法在陶瓷板材的表面涂覆上活性金屬焊料，再與無氧銅層裝夾，在真空釬焊爐中進行高溫焊接，然后刻蝕出圖形制作電路，最后再對表面圖形進行化學鍍。關鍵技術涉及如何控制Ti的氧化和偏析、高溫下有機物的揮發導致孔洞和界面不致密的問題。來源：《熱管理材料》整理

AMB工藝是金屬釬料實現氮化鋁與無氧銅的高溫結合，以結合強度高、冷熱循環可靠性好等優點，不僅具有更高的熱導率、更好的銅層結合力，而且還有熱阻更小、可靠性更高等優勢。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、舒焊層組織結構等諸多關鍵因素，工藝難度大，而且還要兼顧成本方面的考慮。

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應用領域

3.1高鐵、新能源汽車、風力、5G基站用IGBT模塊

由于 IGBT輸出功率高，發熱量大，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率高、與硅匹配的熱膨脹系數、高電絕緣等優點，非常適用于 IGBT 以及功率模塊的封裝。廣泛應用于軌道交通、航天航空、電動汽車、風力、太陽能發電等領域。

3.2 LED封裝

縱觀LED技術發展，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、高導熱和耐熱、低膨脹等特性，特別是采用通孔互聯技術，可有效滿足LED倒裝、共晶、COB(板上芯片)、CSP(芯片規模封裝)、WLP (圓片封裝)封裝需求，適合中高功率LED封裝。

來源：百度

3.3光伏/芯片模組

光伏發電是根據光生伏特效應原理，利用太陽能電池將太陽光直接轉化為電能。由于聚焦作用導致太陽光密度增加，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到金屬熱沉上，有效提高了系統光電轉換效率與可靠性。

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行業分析

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

5.1全球陶瓷基板市場火爆，市場規模穩步增加

根據華西證劵研究所報告顯示，2020 年全球陶瓷基板市場規模達到 89 億美元，預計 2026 年全球規模將達到 172.9 億美元，漲幅達到 94.27%，市場前景廣闊。

來源：《熱管理材料》整理

5.2 高功率IGBT模塊持續推動DBC/AMB陶瓷基板市場擴大

DBC 陶瓷基板具有高強度、 導熱性能強以及結合穩定的優質性能，而AMB 陶瓷基板是在 DBC 的基礎上發展而來的，結合強度相對更高。近年來隨著新能源汽車、光伏儲能行業的快速發展， 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 陶瓷基板主要生產廠家有羅杰斯、日本京瓷、日本丸和等。

5.3LED需求量提高

LED 芯片對于散熱要求極為苛刻，車載照明將進一步提升 AlN 基板的需求。目前單芯片 1W 大功率 LED 已產業化， 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 的應用面不斷擴大，從特種照明的市場領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 的封裝技術提出了更高的要求。而傳統的基板無法承載高功率的熱能，氮化鋁陶瓷具有良好的導熱和絕緣性能，能夠提高 LED 功率水平和發光效率。功率 LED 已經在戶外大型看板、小型顯示器背光源、車載照明、室內及特殊照明等方面獲得了大量應用。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、小體積封裝產品中，在高功率發光二極管中被廣泛使用。數據顯示，2020 年 DPC 陶瓷基板全球市場規模達到 12 億美元，預計 2026 年達到 17 億美元。