0 前世
电路板被很多人誉为电子产品之母，它是计算机、手机等消费电子产品的关键部件，在医疗、航空、新能源、汽车等行业有着广泛应用。纵观发展简史，每一次技术进步都直接或间接影响着全人类。在电路板诞生之前，电子设备都包含许多电线，它们不仅会纠缠在一起，占用大量空间，而且短路的情况也不罕见。这个问题对于电路相关的工作人员来说是个非常头疼的问题。
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于是在1900-1920年的时候德国发明家阿尔伯特-汉森第一个提出PCB概念。他开创了使用的概念 “电线” 用于电话交换系统, 金属箔用于切割线路导体, 然后将石蜡纸粘在线路导体的顶部和底部, 并在线路交叉处设置过孔，实现不同层间的电气互连，为PCB制造和发展奠定了理论基础。
时间来到了1925年，来自美国的Charles Ducas提出了一个前所未有的想法，即在绝缘基板上印刷电路图案，随后进行电镀以制造用于布线的导体. 专业术语“PCB”由此而来，这种方法使制造电器电路变得更为简单。
1936年，英国的Paul Eisler因其第一个发表了薄膜技术，开发了第一个用于收音机的印刷电路板而被奉为“印刷电路之父”。他使用的方法与我们今天用于印刷电路板的方法非常相似。而在日本，宫本喜之助以喷附配线法“メタリコン法吹着配线⽅法(特许119384号)”成功申请专利。而两者中Paul Eisler 的方法与现今的印制电路板最为相似，这类做法称为减去法，是把不需要的⾦属除去；而Charles Ducas、宫本喜之助的做法是只加上所需的配线，称为加成法。虽然如此，但因为当时的电⼦零件发热量⼤，两者的基板也难以配合使⽤，以致未有正式的使⽤，不过该技术也得到了飞速的进步和发展。
Paul Eisler的技术发明被美国大规模用于制造二战中使用的近炸引信。 同时, 该技术广泛应用于军用无线电。从此PCB板开始走上飞速发展与进步的道路。
历史关键事件
1941年，美国在滑⽯上漆上铜膏作配线，以制作近接信管；
1943年，美国⼈将该技术⼤量使⽤于军⽤收⾳机内；
1947年，环氧树脂开始⽤作制造基板。同时NBS开始研究以印刷电路技术形成线圈、电容器、电阻器等制造技术；
1948年，美国正式认可这个发明⽤于商业⽤途；
1950年，⽇本使⽤玻璃基板上以银漆作配线；和以酚醛树脂制的纸质酚醛基板（CCL）上以铜箔作配线；
1951年，聚酰亚胺的出现，便树脂的耐热性再进⼀步，也制造了聚亚酰胺基板；
1953年，Motorola开发出电镀贯穿孔法的双⾯板。这⽅法也应⽤到后期的多层电路板上；
1960年，V. Dahlgreen以印有电路的⾦属箔膜贴在热可塑性的塑胶中，造出软性印制电路板；
1961年，美国的Hazeltine Corporation参考了电镀贯穿孔法，制作出多层板；
1967年，发表了增层法之⼀的“Plated-up technology”；
1969年，FD-R以聚酰亚胺制造了软性印制电路板；
1979年，Pactel发表了增层法之⼀的“Pactel法”；
1984年，NTT开发了薄膜回路的“Copper Polyimide法”；
1988年，西门⼦公司开发了Microwiring Substrate的增层印制电路板；
1990年，IBM开发了“表⾯增层线路”（Surface Laminar Circuit，SLC）的增层印制电路板；
1995年，松下电器开发了ALIVH的增层印制电路板；
1996年，东芝开发了Bit的增层印制电路板；
当今世界随着集成电路技术的诞生，进入先进电子制造业的时代，PCB逐渐成为了行业必不可少的核心产品。集成电路技术的飞速发展对于电路板逐渐提出了不同的性能要求。随着电子设备不断缩小，也使得机械制造的PCB制备工艺更高。目前市面上的PCB从材料大类上来分主要可以分为三种：普通基板、金属基板、陶瓷基板。普通的基板就是我们平时看到的电脑里的主板手机里的主板，都是普通的环氧树脂基板，优点是便于设计成本低廉。
当下，电子器件向大功率化、高频化、集成化方向发展，其元器件在工作过程中产生大量热量，这些热量如不能及时散去将影响芯片的工作效率，甚至造成半导体器件损坏而失效因此，为保证电子器件工作过程的稳定性，对电路板的散热能力提出了更高的要求。传统的普通基板和金属基板不能满足当下工作环境下的应用。陶瓷基板具有绝缘性能好、强度高、热膨胀系数小、优异的化学稳定性和导热性能脱颖而出，是符合当下高功率器件设备所需的性能要求。
1.1 陶瓷粉体
目前常用的高导热陶瓷粉体原料有氧化铝（Al2O3）、氮化铝（AlN）、氮化硅（Si3N4）、碳化硅（SiC）和氧化铍（BeO）等。随着国家大力发展绿色环保方向，由于氧化铍有毒性逐渐开始退出历史的舞台。碳化硅又因为其绝缘性差，无法应用在微电子电路中。而Al2O3、AlN、Si3N4陶瓷粉体具有无毒、高温稳定性好、导热性好，以及与Si、SiC和GaAs等半导体材料相匹配的热膨胀系数，得到了广泛推广应用。几种粉体的热导率和综合评价如下表所示，目前主流用于制备陶瓷基板的粉体原料还是以氧化铝和氮化铝为主。
市场中粉体的制备方法主要有硅粉直接氮化法、自蔓延高温合成法、碳热还原法。
（1）硅粉直接氮化法和自蔓延高温合成法是比较主流的方法，但由于反应温度接近甚至超过原料的熔点，往往造成产物形貌不规则、ɑ相含量低、团聚严重，需要进一步破碎，在后续处理中容易引入其他杂质；
（2）碳热还原法是具有原料丰富、工艺简单、成本低等优点，非常适合大批量生产；
1.2 陶瓷基板制备工艺
预烧阶段：在这个阶段，陶瓷制品会被放入炉子中进行预烧处理，用来去除陶瓷中的水分和有机物质。高温下，水分和有机物质会被分解并释放出来，让制品干燥且有机物质燃烧殆尽。这一阶段的主要目的是为了减少烧结时产生的气泡等缺陷。
烧结阶段：在预烧之后，制品会被加热到高温下进行烧结。这个阶段是陶瓷工艺中最关键的一步，也是最困难的一步。在高温下，陶瓷颗粒会开始熔化和结合在一起，形成一个坚固的陶瓷结构。这一阶段需要控制好温度、时间和压力等因素，使得陶瓷能够充分结合，而不会出现烧结不完全或者表面开裂等缺陷。
冷却阶段：在烧结完成后，制品需要进行冷却，使得陶瓷结构能够逐渐稳定下来。如果制品过早地被取出炉子，容易导致热应力而产生裂纹。因此，一般会采取缓慢冷却的方式，让制品温度逐渐降下来。在冷却过程中，还需要将炉门缓慢地打开，逐渐将炉内压力和炉外压力平衡，以避免制品瞬间受到外界压力而发生破裂。
高导热性非金属固体通常具备以下４个条件：构成的原子要轻、原子间的结合力要强、晶格结构要单纯、晶格振动的对称性要高。陶瓷材料的导热性的影响因素：（1）原料粉体，原料粉体的纯度、粒度、物相会对材料的热导率、力学性能产生重要影响。由于非金属的传热机制为声子传热，当晶格完整无缺陷时，声子的平均自由程越大，热导率越高，而晶格中的氧往往伴随着空位、位错等结构缺陷，显著地降低了声子的平均自由程，导致热导率降低；
目前导热的陶瓷基板可分为HTCC（高温共烧多层陶瓷）、LTCC（低温共烧陶瓷）、DBC（直接键合铜陶瓷基板） 和DPC（直接镀铜陶瓷基板）、活性金属纤焊陶瓷基板（AMB）等几种形式，其特点如下。
对于大功率器件而言，基板除具备基本的机械支撑与电互连功能外，还要求具有高的导热性能。因为HTCC/LTCC的热导率较低，因此在高功率的器件以及IGBT模组的使用场景中散热基板目前主要以DBC、DPC、AMB三种金属化技术为主。
2.1 DPC技术
DPC技术是先其制作首先将陶瓷基片进行前处理清洗，利用真空溅射方式在基片表面沉积 Ti/Cu 层作为种子层，接着以光刻、显影、刻蚀工艺完成线路制作，最后再以电镀/化学镀方式增加线路厚度，待光刻胶去除后完成基板制作。
来源：AIN应用性能出众，国产替代机遇显著
DPC 技术具有如下优点：(1) 低温工艺（300 ℃以下），完全避免了高温对材料或线路结构的不利影响，也降低了制造工艺成本；(2) 采用薄膜与光刻显影技术，使基板上的金属线路更加精细（线宽尺寸 20~30 m，表面平整度低于 0.3 m，线路对准精度误差小于±1%），因此 DPC 基板非常适合对准精度要求较高的电子器件封装。
2.2 DBC技术
DBC是陶瓷基片与铜箔在高温下（1065℃）共晶烧结而成，最后根据布线要求，以刻蚀方式形成线路。由于铜箔具有良好的导电、导热能力，而氧化铝能有效控制 Cu-Al2O3- Cu 复合体的膨胀，使 DBC 基板具有近似氧化铝的热膨胀系数。
来源：AIN应用性能出众，国产替代机遇显著
DBC 具有导热性好、 绝缘性强、可靠性高等优点，已广泛应用于 IGBT、LD 和 CPV 封装。DBC 缺点在于， 其利用了高温下 Cu 与 Al2O3间的共晶反应，对设备和工艺控制要求较高，基板成本较高；由于 Al2O3 与 Cu 层间容易产生微气孔，降低了产品抗热冲击性；由于铜箔在 高温下容易翘曲变形。
2.3 AMB技术
AMB工艺是金属钎料实现氮化铝与无氧铜的高温结合，以结合强度高、冷热循环可靠性好等优点，不仅具有更高的热导率、更好的铜层结合力，而且还有热阻更小、可靠性更高等优势。AMB陶瓷基板缺点在于工艺的可靠性很大程度上取决于活性钎料成分、焊工艺、舒焊层组织结构等诸多关键因素，工艺难度大，而且还要兼顾成本方面的考虑。
2.4 陶瓷基板及金属化涉及重点设备
世诺科技有限公司是四川高新技术企业，是全球少数几家脱泡搅拌机、行星式重力搅拌机、真空重力搅拌机的专业生产厂之一。
长沙建宇网印机电设备有限公司是一家提供高精密印刷设备的高新技术企业,拥有先进的研发技术，雄厚的生产制造实力。产品主要应用领域: 电容陶瓷金属化、厚膜电路芯片电阻、LTCC、HTCC、片状元件，产品有半自动设备与全自动上下料印刷生产线等。
3.1 高铁、新能源汽车、风力、机器人、5G基站用IGBT模块
由于 IGBT输出功率高，发热量大，散热不良将损坏 IGBT 芯片，因此对 IGBT封装而言，散热是关键，必须选用陶瓷基板强化散热。氮化铝、氮化硅陶瓷基板具有热导率高、与硅匹配的热膨胀系数、高电绝缘等优点，非常适用于 IGBT 以及功率模块的封装。广泛应用于轨道交通、航天航空、电动汽车、风力、太阳能发电等领域。
3.2 LED封装
纵观LED技术发展，功率密度不断提高，对散热的要求也越来越高。由于陶瓷具有的高绝缘、高导热和耐热、低膨胀等特性，特别是采用通孔互联技术，可有效满足LED倒装、共晶、COB(板上芯片)、CSP(芯片规模封装)、WLP (圆片封装)封装需求，适合中高功率LED封装。
3.3 光伏/芯片模组
光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光直接转化为电能。由于聚焦作用导致太阳光密度增加，芯片温度升高，必须采用陶瓷基板强化散热。实际应用中，陶瓷基板表面的金属层通过热界面材料(TIM)分别与芯片和热沉连接，热量通过陶瓷基板快速传导到金属热沉上，有效提高了系统光电转换效率与可靠性。
4 行业分析
陶瓷基板具备散热性好、耐热性好、热膨胀系数与芯片材料匹配、绝缘性好等优点，被广泛用于大功率电子模块、航空航天、军工电子等产品。高功率IGBT、SiC 功率器件搭载上车，刺激上游陶瓷基板的需求，推动产业发展，近期多个公司宣布陶瓷基板项目的投产或扩建计划。
4.1 全球陶瓷基板市场火爆，市场规模稳步增加
根据华西证劵研究所报告显示，2020 年全球陶瓷基板市场规模达到 89 亿美元，预计 2026 年全球规模将达到 172.9 亿美元，涨幅达到 94.27%，市场前景广阔。
4.2 高功率IGBT模块持续推动DBC/AMB陶瓷基板市场扩大
DBC 陶瓷基板具有高强度、 导热性能强以及结合稳定的优质性能，而 AMB 陶瓷基板是在 DBC 的基础上发展而来的， 结合强度相对更高。近年来随着新能源汽车、光伏储能行业的快速发展， IGBT 功率模块的需求快速增长，对于 DBC、 AMB 陶瓷基板的需求也不断增加。目前 DBC 陶瓷基板主要生产厂家有罗杰斯、贺利氏集团、高丽化工等；AMB 陶瓷基板主要生产厂家有罗杰斯、日本京瓷、日本丸和等。
4.3 LED需求量提高
LED 芯片对于散热要求极为苛刻，车载照明将进一步提升 AlN 基板的需求。 目前单芯片 1W 大功率 LED 已产业化， 3W、 5W，甚至 10W 的单芯片大功率 LED 也已推出，并部分走向市场。这使得超高亮度 LED 的应用面不断扩大，从特种照明的市场领域逐步走向普通照明市场。由于 LED 芯片输入功率的不断提高，对这些功率型 LED 的封装技术提出了更高的要求。而传统的基板无法承载高功率的热能，氮化铝陶瓷具有良好的导热和绝缘性能，能够提高 LED 功率水平和发光效率。功率 LED 已经在户外大型看板、小型显示器背光源、车载照明、室内及特殊照明等方面获得了大量应用。
4.4 第三代半导体SIC加速上车-AMB急速获益
SiC 加速上车，AMB 随之受益，Si3N4陶瓷基板的热膨胀系数与第 3代半导体衬底SiC晶体接近，使其能够与SiC晶体材料匹配性更稳定。虽然国内AMB 技术有一定积累，但产品主要是 AIN-AMB基板，受制于Si3N4基片技术的滞后，国内尚未实现Si3N4-AMB的商业化生产,核心工艺被美国 Rogers、德国 Heraeus和日本京瓷、东芝高材、韩国 KCC 等国外企业掌握。
4.5 企业介绍
目前国内代表性企业有博敏电子、浙江德汇、北京漠石科技、合肥圣达电子、无锡天扬、中铝山东、宁夏秦式、厦门矩瓷、宁夏艾森达、无锡海古德、江苏富乐华、浙江精瓷、扬州中天利、江丰同芯、武汉利之达、福建臻璟等等。国外有日本丸和、罗杰斯、日本京瓷、罗杰斯、贺利氏、杜邦、村田株式会社、高丽化工、东芝等（企业排名没有先后顺序）。
（1）福建臻璟新材料科技有限公司
福建臻璟是一家全国领先的第三代半导体氮化物材料供应商及热管理方案解决企业。专注于核心基础材料、掌握核心技术、具备完善的新材料开发能力、是一家集研发、生产、销售为一体的科技公司。氮化硅陶瓷基板、氮化铝陶瓷基板。
（2）无锡海古德新技术有限公司
海古德是由一群有理想抱负、有创新精神，以致力于发展中国氮化铝陶瓷及其元器件为事业目标的创业团队创建的，公司的核心产品氮化铝（AIN）陶瓷基板及其元器件制造是目前国家鼓励和重点支持的朝阳产业，是国家强基工程关键领域关键基础材料。
（3）浙江德汇电子陶瓷有限公司
浙江德汇电子陶瓷有限公司，位于党的诞生地——浙江嘉兴南湖之畔。德汇电子致力于高性能电子陶瓷及其相关电子元器件的开发、生产和销售；
（4）中材高新材料股份有限公司
中材高新材料股份有限公司由山东工陶院和中材人工晶体院两家国家级转制院所重组而成，是我国技术创新示范企业，公司最近十多年来，积极推进科技成果产业化，先后培育了氮化硅陶瓷、超特高压电瓷、氧化铝陶瓷、陶瓷平板膜等几个主导产品；
（5）南通威斯派尔半导体技术有限公司
南通威斯派尔半导体技术有限公司专注于为IGBT/SiC功率模块提供高可靠性的散热基础材料，全力打造以AMB及DBC技术为基础的覆铜陶瓷基板产品；
（6）河北军瓷电子材料
军瓷电子材料河北有限公司位于河北省邢台市临西县泰山路北侧，经营范围包括一般项目：特种陶瓷制品制造；电子专用材料制造；特种陶瓷制品销售；电子专用材料销售；新型陶瓷材料销售；金属基复合材料和陶瓷基复合材料销售；新材料技术研发；电子专用材料研发；
（7）博敏电子股份有限公司
博敏电子股份有限公司设立微芯事业部，具备AMB、DPC陶瓷衬板生产工艺，产品在航空体系、中车体系、振华科技、国电南瑞、比亚迪半导体等客户中开展样板验证和量产使用。
（8）江苏富乐华半导体科技股份有限公司
江苏富乐华半导体科技股份有限公司成立于2018年3月，由上海申和投资有限公司控股，是专业从事功率半导体覆铜陶瓷载板（AMB、DCB、DPC、DBA）以及载板制作供应链材料的集研发、制造、销售于一体的先进制造公司。
（9）新纳陶瓷
新纳陶瓷拥有国外先进、国内领先的陶瓷材料和产品生产线，已形成以陶瓷基板、结构陶瓷、陶瓷器件等为主导的多门类产品，专注于半导体、移动通讯、新能源等应用领域的陶瓷材料及器件的研发生产，是国内特种陶瓷材料和产品的主要生产厂家。
（10）武汉利之达科技有限公司
武汉利之达科技有限公司位于武汉东湖新技术开发区（中国光谷），工厂位于孝感市孝昌县经济开发区。由高校科研人员创办的高新技术企业，瞪羚企业。公司致力于高校科研成果产业化，专业从事电子陶瓷封装材料与技术的研发。
（11）罗杰斯Rogers
罗杰斯于 1832 年成立，总部位于美国亚利桑那州钱德勒市，是金属化陶瓷基板的市场和技术领导者，拥有curamik®品牌直接覆铜（DBC）和活性金属钎焊（AMB）基板，由罗杰斯先进电子解决方案(AES) 事业部负责。
（12）贺利氏
贺利氏科技集团总部位于德国哈瑙市，在1660 年从一间小药房起家，并于1851年正式成立公司，如今已发展成为一家拥有多元化产品和业务的家族企业。贺利氏电子是电子封装材料应用领域的材料及匹配材料解决方案专家，提供全面的金属陶瓷基板产品组合，可满足功率电子市场的不同需求，由其罗马尼亚Chisoda工厂生产金属化陶瓷基板。
（13）东芝高新材料
日本东芝高新材料株式会社成立于2003年，主要产品有氮化硅白板、氮化铝白板以及氮化硅AMB基板等。
（14）日本同和DOWA
日本同和控股（集团）有限公司（DOWA）创建于1884年，是以采矿及冶炼事业为起步。1992年在长野开始金属陶瓷电路板的生产，是全球领先的功率模块用金属陶瓷基板制造商。
（15）日本京瓷KYOCERA
京瓷株式会社（KYOCERA Corporation）成立于1959年4月1日，专门从事精密陶瓷的研发和生产，是 SiN-AMB 基板的领先制造商。
（16）三菱综合材料
三菱综合材料的DBA基板业务所属部门为制造研究开发战略部，在富士小山生产工厂生产。
未来电气器件、工业制造技术和大功率设备发展迅速，设备的功率密度会持续升高，散热问题会持续被全球行业内人员关注。同时未来解决更先进器件设备的散热问题会对材料提出更严苛的要求。陶瓷基板凭借出色的热导性、绝缘性附加与硅相匹配的热膨胀系数，作为散热件和结构件未来将会持续发光发热。此外，全球陶瓷基板市场规模在未来几年内将保持稳定增长，国内产业发展迅猛，国产替代空间巨大，布局粉板兼有的上下游一体化公司将脱颖而出。随着近年来电子产业的高速发展，我国粉体市场需求快速增长，但是国内粉体产量不能满足市场需求，粉料大量依赖进口。但未来随着国内研究不断深入，我国粉体制备技艺不断提高，国内外差距正在逐渐缩小，且随着我国政策大力支持加之市场需求不断扩大，国内粉体产业正向高质量推进。随着国家政策大力支持，科技型产业向高质量推进，陶瓷基板行业未来发展态势也会持续上升，相信在未来我国在陶瓷基板行业会在全球站稳自己的脚跟，具有自己的一席之地。
参考资料
[2]AIN应用性能出众，国产替代机遇显著（2023）。
[4]电子原件与材料，《功率电子封装用陶瓷基板技术与应用进展》（2016）。
标签： 导热散热 点击： 评论: