隨著電子封裝技術(shù)逐漸向著小型化、高密度、多功能和高可靠性方向發(fā)展，電子系統(tǒng)的功率密度隨之增加，散熱問題越來越嚴(yán)重。對于電子器件而言，通常溫度每升高10°C，器件有效壽命就降低30%~50%。因此，選用合適的封裝材料與工藝、提高器件散熱能力就成為發(fā)展電子器件的技術(shù)瓶頸。其中，基板材料的選用是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響到器件成本、性能與可靠性。常用的基板材料主要包括塑料基板、金屬基板、陶瓷基板和復(fù)合基板四大類。目前，陶瓷基板雖然不是處于主導(dǎo)地位，但由于其良好的導(dǎo)熱性、耐熱性、絕緣性、低熱膨脹系數(shù)和成本的不斷降低，在電子封裝特別是功率電子器件中的應(yīng)用越來越廣泛。陶瓷基板按照工藝主要分為DPC、DBC、AMB、LTCC、HTCC等基板。根據(jù)GII報(bào)告顯示，2020年陶瓷基板全球市場規(guī)模約為65億美元，預(yù)測在2020年～2027年間將以6%的年復(fù)合成長率成長，2027年之前將達(dá)到100億美元。HTCC基板制備過程中先將陶瓷粉(Al2O3或AlN)加入有機(jī)黏結(jié)劑，混合均勻后成為膏狀陶瓷漿料，接著利用刮刀將陶瓷漿料刮成片狀，再通過干燥工藝使片狀漿料形成生胚;然后根據(jù)線路層設(shè)計(jì)鉆導(dǎo)通孔，采用絲網(wǎng)印刷金屬漿料進(jìn)行布線和填孔，最后將各生胚層疊加，置于高溫爐(1600℃)中燒結(jié)而成。目前已應(yīng)用于高頻無線通信領(lǐng)域、航空航天、存儲(chǔ)器、驅(qū)動(dòng)器、濾波器、傳感器以及汽車電子等領(lǐng)域。根據(jù)Market Watch的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2021年全球HTCC陶瓷基板市場規(guī)模約為22.12億美元，預(yù)計(jì)2028年達(dá)到38.75億美元，年復(fù)合增長率為8.3%左右。HTCC陶瓷基板行業(yè)市場集中度比較高，前三大廠商日本京瓷，日本丸和與日本特陶占據(jù)80%的全球HTCC陶瓷市場份額，行業(yè)內(nèi)主要競爭者數(shù)量少，屬于寡頭競爭。為了降低HTCC制備工藝溫度，同時(shí)提高線路層導(dǎo)電性，業(yè)界開發(fā)了LTCC基板。與HTCC制備工藝類似，只是LTCC制備在陶瓷漿料中加入了一定量玻璃粉來降低燒結(jié)溫度，同時(shí)使用導(dǎo)電性良好的Cu、Ag和Au等制備金屬漿料。LTCC基板制備溫度低，但生產(chǎn)效率高，可適應(yīng)高溫、高濕及大電流應(yīng)用要求，在軍工及航天電子器件中得到廣泛應(yīng)用。
為了降低HTCC制備工藝溫度，同時(shí)提高線路層導(dǎo)電性，業(yè)界開發(fā)了LTCC基板。與HTCC制備工藝類似，只是LTCC制備在陶瓷漿料中加入了一定量玻璃粉來降低燒結(jié)溫度，同時(shí)使用導(dǎo)電性良好的Cu、Ag和Au等制備金屬漿料。LTCC基板制備溫度低，但生產(chǎn)效率高，可適應(yīng)高溫、高濕及大電流應(yīng)用要求，在軍工及航天電子器件中得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)Market Watch發(fā)布的報(bào)告，2022年LTCC陶瓷基板的市場規(guī)模預(yù)計(jì)可達(dá)12.949億美元，預(yù)計(jì)2028年市場規(guī)模將達(dá)到18.682億美元，年復(fù)合增長率為6.3%。全球LTCC陶瓷基板的主要供應(yīng)商包括村田制作所，日本京瓷，TDK株式會(huì)社等。
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。
根據(jù)HNY research發(fā)布數(shù)據(jù)，2021年全球DPC陶瓷基板市場規(guī)模大約為21億美元，預(yù)計(jì)2027年將達(dá)到28.2億美元，2022-2027期間年復(fù)合增長率(CAGR)為5.07%。全球主要的DPC陶瓷基板供應(yīng)商包括日本京瓷、日本丸和、臺(tái)灣同欣電子等。
該基板由陶瓷基片(Al2O3或AlN)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。DBC具有導(dǎo)熱性好、絕緣性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于IGBT、LD和CPV封裝。
QY Research調(diào)研顯示，2021年全球DBC陶瓷基板市場規(guī)模大約為3億美元，預(yù)計(jì)2028年將達(dá)到5.5億美元，2022-2028期間年復(fù)合增長率(CAGR)為9.0%。主要DBC陶瓷基板廠商包括美國Rogers、韓國KCC、日本Ferrotec旗下的江蘇富樂華半導(dǎo)體科技股份有限公司等。
AMB陶瓷基板是DBC工藝的進(jìn)一步發(fā)展，該工藝通過含有少量稀土元素的焊料來實(shí)現(xiàn)陶瓷基板與銅箔的連接，其鍵合強(qiáng)度高、可靠性好。該工藝相較于DBC工藝鍵合溫度低、易操作。
根據(jù)QY Research報(bào)告，2021年AMB陶瓷基板市場規(guī)模約為0.9億美元，預(yù)計(jì)2028年增長到3.8億美元，復(fù)合增長率高達(dá)22.7%。主要供應(yīng)商包括美國Rogers、德國Heraeus、日本電化株式會(huì)社(Denka)、日本同和(DOWA)。
目前陶瓷基板的主要材料以氧化鋁（Al2O3）、氮化鋁（AlN）和氮化硅（Si3N4）三類為主。氧化鋁陶瓷基板價(jià)格低廉(約為氮化鋁的1/10)，生產(chǎn)工藝成熟，目前產(chǎn)量最大，應(yīng)用面最廣。但是，氧化鋁陶瓷基板的導(dǎo)熱性能已無法滿足大功率芯片的散熱要求。氮化鋁的熱導(dǎo)率是氧化鋁的5倍，并且具備與硅材料相匹配的熱膨脹系數(shù)，在大功率電力電子，以及其他需要高熱傳導(dǎo)的器件中，逐漸替代氧化鋁陶瓷，是目前發(fā)展最快的陶瓷基板。氮化硅被認(rèn)為是綜合性能最好的陶瓷基板材料，雖熱導(dǎo)率不如氮化鋁，但其抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性都可達(dá)到氮化鋁的2倍以上。同時(shí)，氮化硅陶瓷基板的熱膨脹系數(shù)與第三代半導(dǎo)體碳化硅相近，使得其成為碳化硅導(dǎo)熱基板材料的首選。綜合來看，氮化鋁陶瓷基板與氮化硅陶瓷基板最具發(fā)展前景。2021年全球氮化硅陶瓷基板市場規(guī)模在4億美元左右，在新能源汽車等終端市場需求推動(dòng)下，中國已經(jīng)成為全球重要的氮化硅陶瓷基板消費(fèi)國，國內(nèi)產(chǎn)品主要依賴進(jìn)口，國內(nèi)市場規(guī)模從2017年的0.27億美元增長至2021年的1.20億美元，GAGR為45.2%。隨著IGBT和碳化硅MOS在新能源車領(lǐng)域的滲透率越來越高，市場空間有望進(jìn)一步提升。
2017-2021年全球及中國氮化硅陶瓷基板市場規(guī)模(單位：億美元)氮化鋁基板的生產(chǎn)能力主要集中于全球少數(shù)廠家，其中日本是全球最大的氮化鋁基板出口國，核心廠商為日本丸和、京瓷等。國內(nèi)已涌現(xiàn)一批具備氮化鋁基板批量生產(chǎn)的企業(yè)，龍頭公司的產(chǎn)能已超50萬片/月，逐步接近日本丸和。隨著高質(zhì)量氮化鋁基板的生產(chǎn)能力不斷提升，未來有望改變高性能陶瓷基板長期依賴進(jìn)口的局面。
目前氮化鋁陶瓷基板的市場空間約10億元，2019年-2022年，國內(nèi)氮化鋁陶瓷基板市場空間的復(fù)合增長率超20%。隨著下游大規(guī)模集成電路、IGBT、微波通訊、汽車電子及影像傳感等產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，以及在電子器件功率提升的大背景下，氮化鋁的應(yīng)用規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大。根據(jù)行業(yè)專家預(yù)測，未來幾年，氮化鋁陶瓷基板的市場空間增速仍將保持在20%以上，按此增長速率計(jì)算，則2026年氮化鋁陶瓷基板的市場空間有望達(dá)到20億元。
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