一文搞懂陶瓷基板DPC，AMB，HTCC，DBC等工藝技術

轉自：電子制造工藝技術，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，以及工藝特點進行分析，行業(yè)展望，最后我們學習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域起著非常重要作用，核心是陶瓷基板的高導熱性、高絕緣性、熱導率等優(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合基板具有優(yōu)良電絕緣性能，高導熱特性，優(yōu)異的軟釬焊性和高的附著強度，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構技術和互連技術的基礎材料。
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

陶瓷基板機械應力強，形狀穩(wěn)定；高強度、高導熱率、高絕緣性；結合力強，防腐蝕；具有極好的熱循環(huán)性能，循環(huán)次數(shù)達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構；無污染、無公害。

陶瓷基板的性能要求：

1.機械性質

有足夠高的機械強度，除搭載元件外，也能作為支持構件使用；加工性好，尺寸精度高；

2.電學性質

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?？煽啃?。

3.熱學性質

熱導率高；

熱膨脹系數(shù)與相關材料匹配（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

化學穩(wěn)定性好；容易金屬化，電路圖形與其附著力強；無吸濕性；耐油、耐化學藥品；a射線放出量?。凰捎玫奈镔|無公害、無毒性；在使用溫度范圍內晶體結構不變化。

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：可以進行高密度組裝；

8：無有機成分，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，這也就導致只能制作小面積的電路板。

價格貴， 電子產品的要求規(guī)則越來越多，陶瓷電路板還是用在一些比較高端的產品上面，低端的產品根本不會使用到。

陶瓷電路板應用范圍

陶瓷電路板可應用于LED，大功率功率半導體模塊，半導體冷卻器，電子加熱器，功率控制電路，功率混合電路，智能功率組件，高頻開關電源，固態(tài)繼電器，汽車領域在電子，通信，航空航天和軍用電子元件等領域，可以說占據(jù)了電子工業(yè)的大部分領域，無形也促進了電子工業(yè)的發(fā)展。如下圖陶瓷產品示意

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。所制成的超薄復合基板具有優(yōu)良電絕緣性能，高導熱特性，優(yōu)異的軟釬焊性和高的附著強度，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構技術和互連技術的基礎材料。

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，是采用陶瓷與高熔點的W、Mo等金屬圖案進行共燒獲得的多層陶瓷基板。但由于燒結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)已廣泛應用于各種制式的手機、藍牙、GPS模塊、WLAN模塊、WIFI模塊等；此外，由于其產品的高可靠性，在汽車電子、通訊、航空航天與軍事、微機電系統(tǒng)、傳感器技術等領域的應用也日益上升。

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到Al2O3和AlN陶瓷表面而制成復合基板。封裝工藝如下

AMB（Active Metal Brazing，活性金屬釬焊）：AMB是在DBC技術的基礎上發(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，從而實現(xiàn)陶瓷與金屬異質鍵合。

綜上述五大工藝種中，HTCC\LTCC都屬于燒結工藝，成本都會較高。而DBC與DPC則為國內近年來才開發(fā)成熟，且能量產化的專業(yè)技術，DBC是利用高溫加熱將Al2O3與Cu板結合，其技術瓶頸在于不易解決Al2O3與Cu板間微氣孔產生之問題，這使得該產品的量產能量與良率受到較大的挑戰(zhàn)，而DPC技術則是利用直接鍍銅技術，將Cu沉積于Al2O3基板之上，其工藝結合材料與薄膜工藝技術，其產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整合能力要求較高，這使得跨入DPC產業(yè)并能穩(wěn)定生產的技術門檻相對較高。與傳統(tǒng)產品相比，AMB陶瓷基板是靠陶瓷與活性金屬焊膏在高溫下進行化學反應來實現(xiàn)結合，因此其結合強度更高，可靠性更好，極適用于連接器或對電流承載大、散熱要求高的場景。尤其是新能源汽車、軌道交通、風力發(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、力學性能的關鍵因素。粉體的純度、粒度、物相、氧含量等會對陶瓷基板的熱導率、力學性能產生重要影響，其特性也決定了基板成型工藝、燒結工藝的選擇。BeO陶瓷具有較高的熱導率，但是其毒性和高生產成本限制了它的生產和應用。Al2O3陶瓷基板因其價格低廉、耐熱沖擊性好已被廣泛應用，但因其熱導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)及熱導率方面的優(yōu)勢被認為是未來的發(fā)展方向。Si3N4的撓曲強度更是得到大幅改善, 設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 的熱導率下達到了6.5~7 MPa/√m。

下面來了解一下陶瓷基板幾大工藝技術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市場銷售額達到了196億元，預計2029年將達到289億元，年復合增長率（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%，預計2029年將達到91.9億元，屆時全球占比將達到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、高性能的技術發(fā)展要求，LTCC具有成本低、設計多樣靈活、高頻微波性能優(yōu)良等優(yōu)點，可應用于5G 和萬物互聯(lián)時代的各類應用場景以及高頻通訊移動終端，包括汽車電子、計算機、遠程醫(yī)療、智能家居、高頻通訊等。發(fā)展高性能LTCC產品將成為 5G 及萬物互聯(lián)時代的迫切需要。未來，隨著 5G 應用、萬物互聯(lián)等市場的發(fā)展，國內對LTCC產品的需求量會進一步增加，據(jù)觀研天下預測，到2025年國內LTCC市場規(guī)模將達到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)計及預測，2022年全球DBC陶瓷基板市場銷售額達到了4.03億美元，預計2029年將達到7.67億美元，年復合增長率（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%。就產品類型而言，氧化鋁及ZTA DBC陶瓷基板是最大的細分，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。目前氮化鋁陶瓷基板白板和氧化鋁陶瓷基板白板方面，國內已有廠商占有重要份額，但在高端領域，依然由日本廠商主導。

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，預計2023年有望達到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陶瓷基板主要應用于LED領域，占了69%的比重，全球DPC陶瓷基板生產企業(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、高電流功率半導體中；采用AMB工藝的氮化硅陶瓷基板（AMB-SiN）主要應用在電動汽車（EV）和混合動力車（HV）功率半導體中。未來幾年，預計氮化硅陶瓷基板（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注點之一，將保持快速增長。

隨著SiCMOS開始供應主驅逆變器，由于逆變器所需SiCMOS面積變大，對于陶瓷襯板的產能消耗量快速增長。碳化硅車型滲透率預計2024年快速提升，新能源汽車領域成為AMB陶瓷基板最大需求領域。其中，2022年全球AMB陶瓷基板市場銷售額達到了4.33億美元，預計2029年將達到28.72億美元，年復合增長率（CAGR）為26.0%（2023-2029）。AMB陶瓷基板行業(yè)研究功課新型技術后，預計2029年將達到174億元，

綜合來看隨著技術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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