電路基板是信息工業(yè)的基礎(chǔ)原材料。自1943年用酚醛樹(shù)脂基材制作的覆銅箔板開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用化以來(lái),基板材料的發(fā)展非常迅速。電路基板大致可以分為三大類:高分子電路基板(印刷電路板)、金屬電路基板(金屬基板)、陶瓷電路基板。
下面我們著重了解一下陶瓷電路基板:
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。所制成的超薄復(fù)合基板具有優(yōu)良電絕緣性能,高導(dǎo)熱特性,優(yōu)異的軟釬焊性和高的附著強(qiáng)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(jié)構(gòu)技術(shù)和互連技術(shù)的基礎(chǔ)材料。
1. 陶瓷基板簡(jiǎn)介
氧化鋁陶瓷基板是比較早出現(xiàn)的陶瓷基板,發(fā)展趨勢(shì)一直很好。2015年國(guó)內(nèi)氧化鋁陶瓷基板(熱導(dǎo)率25W/m·K)產(chǎn)量超過(guò)200萬(wàn)平方米,約占世界總產(chǎn)量10%。
氮化鋁陶瓷基板在氧化鋁的基礎(chǔ)上發(fā)揮了更優(yōu)異的性能,2015年國(guó)內(nèi)氮化鋁陶瓷基板(熱導(dǎo)率200W/m·K)產(chǎn)量約為5000平方米,約占世界總產(chǎn)量0.1%。
在已有技術(shù)中,一般認(rèn)為氮化硅的熱導(dǎo)率低,所以它不適于作電路基片。然而,近年來(lái),如日本特許公開(kāi)135771/1994中公開(kāi)了對(duì)提高氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率所作的改進(jìn),人們已可得到熱導(dǎo)率約為120W/MK的氮化硅陶瓷。
2. 陶瓷基板特點(diǎn)
陶瓷電子基板機(jī)械應(yīng)力強(qiáng),形狀穩(wěn)定;高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱率、高絕緣性;結(jié)合力強(qiáng),防腐蝕;具有極好的熱循環(huán)性能,循環(huán)次數(shù)達(dá)5萬(wàn)次,可靠性高;與PCB板(或IMS基片)一樣可刻蝕出各種圖形的結(jié)構(gòu);無(wú)污染、無(wú)公害。
但其產(chǎn)量極低,由于制造技術(shù)及工藝研發(fā)成本問(wèn)題,現(xiàn)在較高端的新陶瓷基板單位價(jià)格較高,但是產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程和產(chǎn)品本身完全環(huán)保,技術(shù)瓶頸及貿(mào)易壁壘突破后,隨著產(chǎn)量增加價(jià)格會(huì)大幅降低,是未來(lái)電子線路基材的發(fā)展方向。
3. 陶瓷基板的優(yōu)點(diǎn)
陶瓷基板的熱膨脹系數(shù)接近硅芯片,可節(jié)省過(guò)渡層Mo片,省工、節(jié)材、降低成本;減少焊層,降低熱阻,減少空洞,提高成品率;
在相同載流量下0.3mm厚的銅箔線寬僅為普通印刷電路板的10%;優(yōu)良的導(dǎo)熱性,使芯片的封裝非常緊湊,從而使功率密度大大提高,改善系統(tǒng)和裝置的可靠性;
超薄型(0.25mm)陶瓷基板可替代BeO,無(wú)環(huán)保毒性問(wèn)題;
載流量大,100A電流連續(xù)通過(guò)1mm寬0.3mm厚銅體,溫升約17℃;100A電流連續(xù)通過(guò)2mm寬0.3mm厚銅體,溫升僅5℃左右;
熱阻低,10×10mm陶瓷基板的熱阻0.63mm厚度陶瓷基片的熱阻為0.31K/W,0.38mm厚度陶瓷基片的熱阻為0.19K/W,0.25mm厚度陶瓷基片的熱阻為0.14K/W;
絕緣耐壓高,保障人身安全和設(shè)備的防護(hù)能力。
4. 陶瓷基板的性能要求
機(jī)械性質(zhì):有足夠高的機(jī)械強(qiáng)度,除搭載元件外,也能作為支持構(gòu)件使用;加工性好,尺寸精度高;容易實(shí)現(xiàn)多層化;表面光滑,無(wú)翹曲、彎曲、微裂紋等。
電學(xué)性質(zhì):絕緣電阻及絕緣破壞電壓高;介電常數(shù)低;介電損耗?。辉跍囟雀?、濕度大的條件下性能穩(wěn)定,確保可靠性。
熱學(xué)性質(zhì):熱導(dǎo)率高;熱膨脹系數(shù)與相關(guān)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。
其它性質(zhì):化學(xué)穩(wěn)定性好;容易金屬化,電路圖形與其附著力強(qiáng);無(wú)吸濕性;耐油、耐化學(xué)藥品;α射線放出量小;所采用的物質(zhì)無(wú)公害、無(wú)毒性;在使用溫度范圍內(nèi)晶體結(jié)構(gòu)不變化;原材料豐富;技術(shù)成熟;制造容易;普通陶瓷基板價(jià)格低。
5. 現(xiàn)階段重點(diǎn)市場(chǎng)
電動(dòng)汽車、地鐵和高鐵:德國(guó)、挪威和美國(guó)等18國(guó)聯(lián)盟宣稱2030年禁止燃油汽車的生產(chǎn)與銷售,利好電動(dòng)汽車。國(guó)家一帶一路戰(zhàn)略,利好高鐵市場(chǎng)。國(guó)家城鎮(zhèn)化建設(shè),利好城市軌道交通市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車陶瓷基板市場(chǎng)超100億人民幣/年。
半導(dǎo)體制冷:半導(dǎo)體制冷片可用于溫度控制和溫差發(fā)電,現(xiàn)在用于半導(dǎo)體制冷片的陶瓷基板市場(chǎng)超過(guò)1億元人民幣/年。
LED照明:2014年元旦,美國(guó)政府立法禁止白熾燈生產(chǎn)和銷售,LED市場(chǎng)爆發(fā)。藍(lán)光LED研究獲2014年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。硅基LED照明研究獲2014年度中國(guó)國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。國(guó)內(nèi)LED照明陶瓷基板市場(chǎng)超200億元人民幣/年。
5G通訊:華為公司和中興公司已經(jīng)將半導(dǎo)體制冷技術(shù)列為5G通訊設(shè)備與終端的關(guān)鍵支撐技術(shù),預(yù)期高效散熱技術(shù)產(chǎn)品市場(chǎng)將在5G通訊市場(chǎng)中爆發(fā)性增長(zhǎng),預(yù)期超50億元/年。云計(jì)算大數(shù)據(jù)、人工智能、無(wú)人駕駛和機(jī)器人等信息產(chǎn)業(yè)的未來(lái)技術(shù)熱點(diǎn)均需要高性能陶瓷電子線路基板材料的強(qiáng)力支撐。
5. 陶瓷基板發(fā)展趨勢(shì)
自陶瓷基板產(chǎn)品問(wèn)世,開(kāi)啟了散熱應(yīng)用行業(yè)的發(fā)展,由于陶瓷基板散熱特色,加上陶瓷基板具有高散熱、低熱阻、壽命長(zhǎng)、耐電壓等優(yōu)點(diǎn),隨著生產(chǎn)技術(shù)、設(shè)備的改良,產(chǎn)品價(jià)格加速合理化,該產(chǎn)業(yè)未來(lái)的市場(chǎng)領(lǐng)域應(yīng)該很寬廣。