中國粉體網訊 縱觀陶瓷基板產業，具備從粉體、裸片到基板一體化生產能力的企業寥寥無幾。大多數企業均是從陶瓷基板產業鏈中的其中一環下手。那么，要打通陶瓷基板產業鏈，到底有多難？
陶瓷基板行業兩大壁壘其一：工藝壁壘
陶瓷基板工藝壁壘具體體現在陶瓷粉體、陶瓷裸片和陶瓷基板三個環節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，因為優質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燒結、成形工藝有重要影響。一般AlN粉體的氧原子數分數不得超過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，國外企業一直跑在前列。其中，日本企業占據了全球七成以上的市場，日本德山采用自主研發的碳熱還原技術，氮化鋁粉體產量高達360t/年。國內中鋁新材料的AlN粉體具有低氧含量、高純度、高導熱等優點，且粉體純度、粒度、微觀形貌可控，批次穩定性好，各項物理化學指標達到國際先進水平，經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”項目，目前已突破低氧含量、高活性、高批次穩定性氮化鋁粉體合成技術，有針對性地實現了導熱率大于等于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，但是產業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。
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。國內雖有部分廠商具備AlN和Si3N4的商業化生產能力，但產能普遍較小，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業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流程，來源：清楓資本研報
流延成型具有工藝簡單、可連續生產的特點，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驗確定，而不是由發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。陶瓷薄片對環境變量非常敏感，過程中變量的改變往往影響產品性能。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、質量優異的薄片。
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陶瓷在功率型電子元器件封裝中使用的重要環節，金屬化方法決定了陶瓷基板的性能、制造成本、產品良率與使用范圍。
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勢，占據全球38.4%的市場份額。其它國外企業如德國賀利士、美國羅杰斯也在全球陶瓷基板領域占據重要位置。國內企業方面，富樂華、同欣電子等均實現了在主流陶瓷基板技術上的全覆蓋。
陶瓷基板行業兩大壁壘其二：客戶認證
歷經九九八十一難制備而成的陶瓷基板，還得經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、行業標準、企業標準等，這些標準對陶瓷基板的質量、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，尤其體現在汽車及軍工領域，其對陶瓷基板的抗老化性能、耐極端環境能力和強度性能的測試需進行數千小時，周期長達半年至1年。一般車企在對陶瓷基板企業完成認證和準入后，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狀.中國陶瓷工業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：陶瓷基板研究現狀及新進展
郭文亮：陶瓷基板行業研究報告.清楓資本
中國粉體網
（中國粉體網編輯整理/空青）
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