中國粉體網(wǎng)訊 縱觀陶瓷基板產(chǎn)業(yè)，具備從粉體、裸片到基板一體化生產(chǎn)能力的企業(yè)寥寥無幾。大多數(shù)企業(yè)均是從陶瓷基板產(chǎn)業(yè)鏈中的其中一環(huán)下手。那么，要打通陶瓷基板產(chǎn)業(yè)鏈，到底有多難？
陶瓷基板行業(yè)兩大壁壘其一：工藝壁壘
陶瓷基板工藝壁壘具體體現(xiàn)在陶瓷粉體、陶瓷裸片和陶瓷基板三個環(huán)節(jié)均有較高的工藝難度，從工藝難度上：粉體制備>陶瓷裸片制備>陶瓷基板制備。
陶瓷覆銅基板，來源：富樂華
1.粉體制備
粉體制備技術(shù)被認(rèn)為是最具技術(shù)難度的一環(huán)，因為優(yōu)質(zhì)的粉體是制造高性能陶瓷基板的關(guān)鍵。目前常用的陶瓷基板粉體包括氧化鋁（Al2O3）、氮化鋁（AlN）、氮化硅(Si3N4)、氧化鈹(BeO)等。其中BeO粉體因具有毒性逐步退出歷史舞臺。
氧化鋁（Al2O3）
Al2O3因成本低廉，耐熱沖擊和電絕緣性好以及與金屬附著性良好等優(yōu)點，是目前應(yīng)用較為廣泛的基板材料，也是集成電路芯片封裝的基礎(chǔ)材料。但由于氧化鋁陶瓷基片相對低的熱導(dǎo)率、與硅的熱膨脹系數(shù)匹配不好，并不適合作為高功率模塊封裝材料，早已被氮化鋁和氮化硅陶瓷基板而取代。
氮化鋁（AlN）
氮化鋁是目前發(fā)展最快的陶瓷基板材料，其理論熱導(dǎo)率可達320W/（m·K），是氧化鋁的5倍。高熱導(dǎo)率是氮化鋁的“賣點”，同時也是難點，AlN的熱導(dǎo)率受原料純度、燒結(jié)工藝等因素的影響，毫不夸張的講，AlN的純度每提高1%，其導(dǎo)熱率可以提高30%。
氮化鋁粉體制備有一定工藝難度，同時易水解特性也使得難以保存。氮化鋁粉末的純度、粒度、氧含量及其它雜質(zhì)含量（尤其是鐵含量）對制備出的氮化鋁陶瓷的熱導(dǎo)率以及后續(xù)燒結(jié)、成形工藝有重要影響。一般AlN粉體的氧原子數(shù)分?jǐn)?shù)不得超過1%。其次，AlN 是共價鍵晶體，熔點高、難以燒結(jié)，需要添加燒結(jié)助劑，因此合理選擇燒結(jié)助劑，促進氧原子向坯體外遷移，才能盡可能降低燒結(jié)基板中的氧含量。
來源：蔣周青等.氮化鋁粉體制備技術(shù)的研究進展
在氮化鋁粉體制備方面，國外企業(yè)一直跑在前列。其中，日本企業(yè)占據(jù)了全球七成以上的市場，日本德山采用自主研發(fā)的碳熱還原技術(shù)，氮化鋁粉體產(chǎn)量高達360t/年。國內(nèi)中鋁新材料的AlN粉體具有低氧含量、高純度、高導(dǎo)熱等優(yōu)點，且粉體純度、粒度、微觀形貌可控，批次穩(wěn)定性好，各項物理化學(xué)指標(biāo)達到國際先進水平，經(jīng)下游氮化鋁陶瓷用戶評價，制品熱導(dǎo)率達到220W/（m·k）以上；國瓷材料“高性能氮化鋁粉體及高導(dǎo)熱基板關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)”項目，目前已突破低氧含量、高活性、高批次穩(wěn)定性氮化鋁粉體合成技術(shù)，有針對性地實現(xiàn)了導(dǎo)熱率大于等于170w/（m·k）。
氮化硅（Si3N4）
對于制備抗彎強度大且熱導(dǎo)率高的陶瓷基板來說，氮化硅粉體不僅需要純度高，而且還需要滿足低氧、超細、高α相等指標(biāo)。因為這些指標(biāo)都會直接決定基板中的缺陷(晶格氧、氣孔)、雜質(zhì)以及晶界尺寸，從而影響熱導(dǎo)率和抗彎強度。而針對氮化硅粉體的制備，其最大的難題在于消除游離Si和獲得高α相Si3N4粉體。
目前，氮化硅粉體制備技術(shù)中，硅粉直接氮化法應(yīng)用較為普遍，日本、歐洲、中國大都采用該制備技術(shù)，適用于陶瓷基板和各種結(jié)構(gòu)件。盡管硅粉直接氮化法有不少缺點，但是產(chǎn)業(yè)界還是廣泛采用直接氮化法制備高α相的氮化硅粉體，硅粉直接氮化法的共性難點在于強化固相傳質(zhì)和精準(zhǔn)控制熱量工藝設(shè)計。
另一種是硅亞胺熱解法，該方法制備的氮化硅粉具有極高的α相含量, 并且燒結(jié)活性優(yōu)異, 但其制備工藝較為復(fù)雜嚴(yán)格，全世界也只有日本UBE公司有能力批量生產(chǎn)。
從目前的市場格局來看，在陶瓷粉體市場，AlN粉體日本德山一家獨大，占據(jù)全球75%的市場份額；Si3N4粉體方面，日本宇部、電氣化學(xué)走在前列。國內(nèi)雖有部分廠商具備AlN和Si3N4的商業(yè)化生產(chǎn)能力，但產(chǎn)能普遍較小，且多為自用不對外出售。
2.陶瓷裸片制備
目前制備陶瓷裸片產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用最為成熟的是流延成型法。流延成型的應(yīng)用，為電子元器件和集成電路的廣泛應(yīng)用鋪平了道路。
氮化鋁陶瓷裸片生產(chǎn)流程，來源：清楓資本研報
流延成型具有工藝簡單、可連續(xù)生產(chǎn)的特點，是制備陶瓷薄片常用的成型方法。但該工藝限制因素較多，有機添加劑的含量往往是由經(jīng)驗確定，而不是由發(fā)生在顆粒表面的物理化學(xué)過程和它們之間的相互作用計算得到。陶瓷薄片對環(huán)境變量非常敏感，過程中變量的改變往往影響產(chǎn)品性能。陶瓷薄片的厚度不易控制，應(yīng)仔細分析影響陶瓷薄片厚度的因素，可以采取有限元模擬等手段，制備出厚度均勻、質(zhì)量優(yōu)異的薄片。
另外，從粉體到基板的過程中難度最大的就是燒結(jié)工藝。難點在于：
（1）燒結(jié)助劑的選擇與用量。相同工藝下，添加不同種類、不同用量的燒結(jié)助劑對粉體熱導(dǎo)率均有不同影響。因此燒結(jié)助劑的選擇不僅是需要反復(fù)實驗來證實合適的方案，還需要結(jié)合后續(xù)的工藝來全局考慮。
（2）反應(yīng)條件。以制備Si3N4粉體為例，需要通過一定的氣流氣壓將其中的氧氣保持在較低水平、氮氣保持在較高水平，同時還需將CO氣體排除，故對設(shè)備的氣場控制成為燒結(jié)產(chǎn)物是否達標(biāo)的決定因素。
3.陶瓷基板
陶瓷基板是將陶瓷裸片金屬化的結(jié)果，陶瓷基板表面金屬化工藝是實現(xiàn)陶瓷在功率型電子元器件封裝中使用的重要環(huán)節(jié)，金屬化方法決定了陶瓷基板的性能、制造成本、產(chǎn)品良率與使用范圍。
目前主流的金屬化工藝包含DPC、DBC、AMB、LTCC/HTCC。目前，陶瓷與金屬的封接工藝中最大的難點就在于：
（1）陶瓷與金屬熱膨脹系數(shù)相差太大，不匹配導(dǎo)致的熱應(yīng)力問題；
（2）金屬與接觸面共鍵結(jié)晶化過程中帶來的氧含量問題；
（3）陶瓷本身的特性，導(dǎo)致金屬與陶瓷連接難度較高，釬料的選擇和制備很重要。
目前，從不同的金屬化工藝來看，日本京瓷在主流陶瓷基板技術(shù)應(yīng)用上占絕對優(yōu)勢，占據(jù)全球38.4%的市場份額。其它國外企業(yè)如德國賀利士、美國羅杰斯也在全球陶瓷基板領(lǐng)域占據(jù)重要位置。國內(nèi)企業(yè)方面，富樂華、同欣電子等均實現(xiàn)了在主流陶瓷基板技術(shù)上的全覆蓋。
陶瓷基板行業(yè)兩大壁壘其二：客戶認(rèn)證
歷經(jīng)九九八十一難制備而成的陶瓷基板，還得經(jīng)歷最后一道終極大考，才能正式上線，貢獻價值，這就是認(rèn)證。首先，陶瓷基板用于封裝工藝中，在器件封裝完成后如發(fā)生故障一般無法返修，只能對整個器件進行更換，因此下游客戶對于陶瓷基板的選用和認(rèn)證謹(jǐn)慎而嚴(yán)苛；其次，不同的下游客戶可能采用不同的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，如國際標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等，這些標(biāo)準(zhǔn)對陶瓷基板的質(zhì)量、性能、可靠性等方面有不同的要求，需要按照客戶的要求進行認(rèn)證；最后，陶瓷基板作為一種新型的電子封裝材料，其性能和特點與傳統(tǒng)的金屬封裝材料有所不同，需要考慮其適用范圍和使用條件，以滿足客戶的需求，尤其體現(xiàn)在汽車及軍工領(lǐng)域，其對陶瓷基板的抗老化性能、耐極端環(huán)境能力和強度性能的測試需進行數(shù)千小時，周期長達半年至1年。一般車企在對陶瓷基板企業(yè)完成認(rèn)證和準(zhǔn)入后，一般不會輕易更換陶瓷基板供應(yīng)商。
參考來源：
崔唐茵等：流延成型技術(shù)制備陶瓷薄片的研究現(xiàn)狀.中國陶瓷工業(yè)2022
吳慶文等：高性能氮化硅陶瓷的制備與應(yīng)用新進展
陸琪等：陶瓷基板研究現(xiàn)狀及新進展
郭文亮：陶瓷基板行業(yè)研究報告.清楓資本
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（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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