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
粉體制備技術被認為是最具技術難度的一環(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，是目前應用較為廣泛的基板材料,，也是集成電路芯片封裝的基礎材料,。但由于氧化鋁陶瓷基片相對低的熱導率、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,，其理論熱導率可達320W/（m·K）,，是氧化鋁的5倍。高熱導率是氮化鋁的“賣點”,，同時也是難點,，AlN的熱導率受原料純度,、燒結工藝等因素的影響，毫不夸張的講,，AlN的純度每提高1%,，其導熱率可以提高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率以及后續(xù)燒結、成形工藝有重要影響,。一般AlN粉體的氧原子數(shù)分數(shù)不得超過1%,。其次，AlN 是共價鍵晶體,，熔點高,、難以燒結，需要添加燒結助劑,，因此合理選擇燒結助劑,，促進氧原子向坯體外遷移，才能盡可能降低燒結基板中的氧含量,。
來源：蔣周青等.氮化鋁粉體制備技術的研究進展
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，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,，各項物理化學指標達到國際先進水平，經(jīng)下游氮化鋁陶瓷用戶評價,，制品熱導率達到220W/（m·k）以上,；國瓷材料“高性能氮化鋁粉體及高導熱基板關鍵技術研發(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,，有針對性地實現(xiàn)了導熱率大于等于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,。因為這些指標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中,，硅粉直接氮化法應用較為普遍,，日本、歐洲,、中國大都采用該制備技術,，適用于陶瓷基板和各種結構件。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)和精準控制熱量工藝設計。
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, 并且燒結活性優(yōu)異, 但其制備工藝較為復雜嚴格,，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)化應用最為成熟的是流延成型法,。流延成型的應用，為電子元器件和集成電路的廣泛應用鋪平了道路,。
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工藝,。難點在于：
（1）燒結助劑的選擇與用量。相同工藝下,，添加不同種類,、不同用量的燒結助劑對粉體熱導率均有不同影響。因此燒結助劑的選擇不僅是需要反復實驗來證實合適的方案,，還需要結合后續(xù)的工藝來全局考慮,。
（2）反應條件。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,，故對設備的氣場控制成為燒結產(chǎn)物是否達標的決定因素,。
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,，不匹配導致的熱應力問題,；
（2）金屬與接觸面共鍵結晶化過程中帶來的氧含量問題,；
（3）陶瓷本身的特性，導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應用上占絕對優(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上的全覆蓋,。
陶瓷基板行業(yè)兩大壁壘其二：客戶認證
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證謹慎而嚴苛；其次,，不同的下游客戶可能采用不同的認證標準,，如國際標準、行業(yè)標準,、企業(yè)標準等,，這些標準對陶瓷基板的質(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)完成認證和準入后，一般不會輕易更換陶瓷基板供應商,。
參考來源：
崔唐茵等：流延成型技術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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