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The performance characteristics of ceramic substrates, and development trend
陶瓷基板的性能特点、发展趋势

电路基板是信息工业的基础原材料。自1943年用酚醛树脂基材制作的覆铜箔板开始进入实用化以来,基板材料的发展非常迅速。电路基板大致可以分为三大类:高分子电路基板(印刷电路板)、金属电路基板(金属基板)、陶瓷电路基板。


下面我们着重了解一下陶瓷电路基板:


陶瓷基板是指铜箔在高温下直接键合到陶瓷基片表面(单面或双面)上的特殊工艺板。所制成的超薄复合基板具有优良电绝缘性能,高导热特性,优异的软钎焊性和高的附着强度,并可像PCB板一样能刻蚀出各种图形,具有很大的载流能力。因此,陶瓷基板已成为大功率电力电子电路结构技术和互连技术的基础材料。


1. 陶瓷基板简介


氧化铝陶瓷基板是比较早出现的陶瓷基板,发展趋势一直很好。2015年国内氧化铝陶瓷基板(热导率25W/m·K)产量超过200万平方米,约占世界总产量10%。


氮化铝陶瓷基板在氧化铝的基础上发挥了更优异的性能,2015年国内氮化铝陶瓷基板(热导率200W/m·K)产量约为5000平方米,约占世界总产量0.1%。


在已有技术中,一般认为氮化硅的热导率低,所以它不适于作电路基片。然而,近年来,如日本特许公开135771/1994中公开了对提高氮化硅陶瓷热导率所作的改进,人们已可得到热导率约为120W/MK的氮化硅陶瓷。


2. 陶瓷基板特点


陶瓷电子基板机械应力强,形状稳定;高强度、高导热率、高绝缘性;结合力强,防腐蚀;具有极好的热循环性能,循环次数达5万次,可靠性高;与PCB板(或IMS基片)一样可刻蚀出各种图形的结构;无污染、无公害。


但其产量极低,由于制造技术及工艺研发成本问题,现在较高端的新陶瓷基板单位价格较高,但是产品生产过程和产品本身完全环保,技术瓶颈及贸易壁垒突破后,随着产量增加价格会大幅降低,是未来电子线路基材的发展方向。


3. 陶瓷基板的优点


陶瓷基板的热膨胀系数接近硅芯片,可节省过渡层Mo片,省工、节材、降低成本;减少焊层,降低热阻,减少空洞,提高成品率;


在相同载流量下0.3mm厚的铜箔线宽仅为普通印刷电路板的10%;优良的导热性,使芯片的封装非常紧凑,从而使功率密度大大提高,改善系统和装置的可靠性;


超薄型(0.25mm)陶瓷基板可替代BeO,无环保毒性问题;


载流量大,100A电流连续通过1mm宽0.3mm厚铜体,温升约17℃;100A电流连续通过2mm宽0.3mm厚铜体,温升仅5℃左右;


热阻低,10×10mm陶瓷基板的热阻0.63mm厚度陶瓷基片的热阻为0.31K/W,0.38mm厚度陶瓷基片的热阻为0.19K/W,0.25mm厚度陶瓷基片的热阻为0.14K/W;


绝缘耐压高,保障人身安全和设备的防护能力。


4. 陶瓷基板的性能要求


机械性质:有足够高的机械强度,除搭载元件外,也能作为支持构件使用;加工性好,尺寸精度高;容易实现多层化;表面光滑,无翘曲、弯曲、微裂纹等。


电学性质:绝缘电阻及绝缘破坏电压高;介电常数低;介电损耗小;在温度高、湿度大的条件下性能稳定,确保可靠性。


热学性质:热导率高;热膨胀系数与相关材料匹配(特别是与Si的热膨胀系数要匹配);耐热性优良。


其它性质:化学稳定性好;容易金属化,电路图形与其附着力强;无吸湿性;耐油、耐化学药品;α射线放出量小;所采用的物质无公害、无毒性;在使用温度范围内晶体结构不变化;原材料丰富;技术成熟;制造容易;普通陶瓷基板价格低。


5. 现阶段重点市场


电动汽车、地铁和高铁:德国、挪威和美国等18国联盟宣称2030年禁止燃油汽车的生产与销售,利好电动汽车。国家一带一路战略,利好高铁市场。国家城镇化建设,利好城市轨道交通市场。国内电动汽车陶瓷基板市场超100亿人民币/年。


半导体制冷:半导体制冷片可用于温度控制和温差发电,现在用于半导体制冷片的陶瓷基板市场超过1亿元人民币/年。

LED照明:2014年元旦,美国政府立法禁止白炽灯生产和销售,LED市场爆发。蓝光LED研究获2014年度诺贝尔物理学奖。硅基LED照明研究获2014年度中国国家技术发明一等奖。国内LED照明陶瓷基板市场超200亿元人民币/年。


5G通讯:华为公司和中兴公司已经将半导体制冷技术列为5G通讯设备与终端的关键支撑技术,预期高效散热技术产品市场将在5G通讯市场中爆发性增长,预期超50亿元/年。云计算大数据、人工智能、无人驾驶和机器人等信息产业的未来技术热点均需要高性能陶瓷电子线路基板材料的强力支撑。


5. 陶瓷基板发展趋势


自陶瓷基板产品问世,开启了散热应用行业的发展,由于陶瓷基板散热特色,加上陶瓷基板具有高散热、低热阻、寿命长、耐电压等优点,随着生产技术、设备的改良,产品价格加速合理化,该产业未来的市场领域应该很宽广。

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