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陶瓷基板工藝升,成為我國行業(yè)突破的關(guān)鍵!

17 2023-10-13
陶瓷基板工藝

在目前的陶瓷基板行業(yè),日本占據(jù)全球絕大市場份額。在關(guān)鍵材料方面,氮化鋁、氮化硅粉體仍依賴進口,大部分市場份額被日本企業(yè)占據(jù)。此外,用于金屬化工藝的銅箔,國內(nèi)尚無企業(yè)能夠生產(chǎn)替代,完全依賴進口。金屬化陶瓷基板


陶瓷粉體、陶瓷裸片和陶瓷基板三個環(huán)節(jié)均有較高的工藝壁壘,從工藝難度上:粉體制備>陶瓷裸片制備>陶瓷基板制備。

國內(nèi)陶瓷基板行業(yè)起步較晚,目前多數(shù)企業(yè)僅具備粉體、裸片、基板中某一環(huán)節(jié)的生產(chǎn)能力,導(dǎo)致整體產(chǎn)業(yè)鏈較為零散。目前國內(nèi)雖有上市公司涉及陶瓷基板業(yè)務(wù),但基板業(yè)務(wù)營收占比較小,發(fā)展還處于較為初級階段。
整體來看,陶瓷基板行業(yè)壁壘主要體現(xiàn)在兩個方面。一是工藝壁壘,二是下游客戶認證壁壘,企業(yè)若想獲得高質(zhì)量的發(fā)展,突破兩大壁壘勢在必行。

 一、工藝壁壘

1、粉體制備
由于陶瓷材料多為共價晶體,有些不易產(chǎn)生變形且經(jīng)常發(fā)生脆性斷裂,需要先制備出適合用于金屬化的晶體相。目前常用的陶瓷基板粉體包括氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、氧化鈹?shù)取F渲蠦eO粉體因具有毒性逐步退出歷史舞臺。在粉體制備層面,產(chǎn)業(yè)化主要面臨以下難點:
(1)原料中的氧會嚴重影響晶體質(zhì)量和性質(zhì),成為降低材料熱導(dǎo)率的主要因素。為此,需要選用低氧含量的高品質(zhì)氧化鋁粉體原料,同時合理選擇燒結(jié)助劑,促進氧原子向坯體外遷移,盡可能降低燒結(jié)基板中的氧含量。
(2)目前市售AlN粉體的純度普遍不高,主要是容易存在硅、鈣、鐵、鈉、鉀等五種雜質(zhì)。雜質(zhì)的存在影響粉體顏色及電學(xué)性能。
(3)粒徑影響粉體的燒結(jié)活性和燒結(jié)質(zhì)量。故而要求粉體顆粒具有高的球形度,粒徑分布呈單峰正態(tài)分布且盡可能窄。粉體顆粒度越均勻,燒結(jié)均勻性也越高。
2、陶瓷裸片
各粉體制備基片的工藝大體一致,在從粉體到基片的過程中難度最大的是在燒結(jié)這一道工藝,主要技術(shù)壁壘體現(xiàn)在:
(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。以制備氮化硅粉體為例,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)物是否達標的決定因素。
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。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。此外,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。
3、金屬化
金屬化機理涉及到化學(xué)和物理反應(yīng)、物質(zhì)的塑性流動、顆粒重排等。各種物質(zhì)在不同燒結(jié)階段中其原子或分子發(fā)生擴散遷移,重新排列后實現(xiàn)金屬化層的致密化。
目前主流的金屬化工藝包含DPC、DBC、AMB、LTCC/HTCC。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。
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證謹慎而嚴苛。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。

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