【观点分享】【滴水研究】覆铜陶瓷封装基板
导读：
电子封装的主要功能有3个，①机械保护：机械支撑与保护，防潮/防尘/防振（气密封装）；②电互联：供电、信号传输与控制；③散热、热匹配等（功率半导体、高温器件）。实际上有很多和IC封装有关，比如说机械支撑，芯片要放在基板上面去；第二要实现电互连，基板上面有很多电路层；第三解决散热问题，特别对于功率器件而言。目前常用基板分为三大类，第一类就是高分子树脂基板，第二类就是金属基板，底下是个金属层，上面是一个线路层，但是中间有一个绝缘层，第三类就是陶瓷基板，由于陶瓷材料本身具有热导率高、耐热性好、高绝缘、高强度、与芯片材料热匹配等性能，非常适合作为功率器件封装基板，目前已在半导体照明、激光与光通信、航空航天、汽车电子、深海钻探等领域得到广泛应用。陶瓷基板又称陶瓷电路板，包括陶瓷基片和金属线路层等。
本文共分为四部分，从封装陶瓷基板的概况展开，重点分析陶瓷基板的应用市场规模及趋势，最后介绍国内外主流玩家情况。
一、陶瓷基板概况
陶瓷基板是封装基板的一种，相较于常用的金属基板、塑料基板，陶瓷基板热导率高具有优秀的散热性能，同时具备良好的绝缘性及耐热性，因此在大功率集成电路封装得到广泛应用，例如大功率 LED 照明、 汽车LED大灯、大功率 LED 照明、半导体激光器（LD）、电力电子功率器件、微波、光通讯、激光雷达VCSEL激光器模块、射频器件等领域，具有广阔的应用市场前景。近几年随着新能源汽车市场景气度提升，大量高功率IGBT、SiC功率器件搭载上车，同时消费电子景气度回升，多项下游利好也推动上游厂商积极扩产、优化工艺研发更高性能的陶瓷基板。
图1 陶瓷基板在功率器件中的应用
陶瓷基板可以按基片材料不同进行分类，常见的主要有氧化铝、氮化铝以及氮化硅：
1. 氧化铝发展较为成熟，常用于照明、电气设备领域，具有较高性价比，氧化铝陶瓷呈白色，热导率为20-30W/(m·K)，弹性模量约为300GPa，抗弯强度为300 MPa ~ 400 MPa，介电常数为10。氧化铝陶瓷具有原料来源丰富、价格低廉、绝缘性高、耐热冲击、抗化学腐蚀及机械强度高等优点，是一种综合性能较好的陶瓷基片材料，占陶瓷基片材料总量的80%以上，一般应用在汽车电子、半导体照明、电气设备等领域。氧化铝陶瓷基片成型方法主要有轧膜法、流延法和凝胶注膜法等。其中后两种方法采用去离子水代替有机溶剂，既可降低成本，也有利于环保，是氧化铝陶瓷片制备主要研究方向之一。
2. 氮化铝陶瓷热导率为氧化铝陶瓷的6~8倍，但热膨胀系数只有其50%，此外还具有绝缘强度高、介电常数低、耐腐蚀性好等优势。除了成本较高外，氮化铝陶瓷综合性能均优于氧化铝陶瓷，是一种非常理想的电子封装基片材料，尤其适用于导热性能要求较高的领域，如高功率器件模块；
3.氮化硅具有较高的硬度以及与碳化硅相匹配的热膨胀系数，是碳化硅功率器件首选封装基板，综合性能最好，属于高端陶瓷基板，工艺壁垒高，目前全球量产的氮化硅基板主要集中在日本，代表企业如日本东芝、京瓷、丸和，且产能正在不断爬坡中。
图2 常见陶瓷基片性能对比
覆铜陶瓷基板按照大致工艺不同又可以分为DPC（直接电镀铜陶瓷板）、DBC（直接键合铜陶瓷板）和 AMB（活性金属焊接陶瓷板）。DPC 与 DBC、AMB 作为主流的平面陶瓷基板，在工艺路线、技术开发、规模生产和市场开拓端具有较强的协同性。
直接镀铜基板DPC 是在陶瓷薄膜工艺加工基础上发展起来 的陶瓷电路加工工艺，DPC 基板以氮化铝、氧化铝等陶瓷作为线路的基板，采用溅镀工艺于基板表面复合金属层，并以电镀和光刻工艺制成电路。
直接覆铜陶瓷基板DBC是一种通过热熔式粘合法，在高温下将铜箔直接烧结到Al2O3和AlN陶瓷表面而制成的一种复合基板。最早出现于上世纪70年代，到80年代中期，率先由美国GE公司的DBC研制小组将该技术实用化，在铜箔和基片之间引入氧元素,通过热熔式粘合法,在高温形成Cu-O共晶相,实现铜箔与陶瓷的共晶键合，具有较好的绝缘性、导热性、附着力，同时具有与硅相匹配的热膨胀系数，不会造成对芯 片的应力损伤，覆铜面又可以刻蚀出各种图形，是一种无污染，无公害的绿色产品，使用温度相当广泛。
活性金属钎焊陶瓷基板AMB是DBC工艺技术的进一步发展，它是利用钎料中含有的少量活性元素Ti、Zr与陶瓷反应生成能被液态钎料润湿的反应层，从而实现陶瓷与金属接合的一种方法。AMB基板是靠陶瓷与活性金属焊膏在高温下进行化学反应来实现结合，因此其结合强度更高，可靠性更好，因此该工艺更适合制备在电动汽车、动力机车用IGBT模块封装用陶瓷覆铜基板。
图3 陶瓷基板工艺路线
从陶瓷基板原理及整个生产过程看，影响其最终品质的因素很多：陶瓷粉体制备、烧结工艺、烧结助剂的选择都可能影响最终产品的质量及良率，因此工艺水平高低、生产线完整性及产业规模降本都是行业竞争中的重要因素。
二、陶瓷基板市场规模及趋势
目前，电子封装技术向小型化、高密度、多功率和高可靠性的方向发展，陶瓷基板凭借其优异的热性能、微波性能、力学性能以及可靠性高等优点，在高频电源开关、IGBT、LED等产品封装中有重要作用，同时下游广泛应用于移动通信、计算机、家用电器等领域。根据博敏电子公告，2021 年全球陶瓷基板市场规模约为 70.2 亿美金（包括DPC、DBC、AMB及HTCC、LTCC等），预计 2028 年将达到 120.3 亿美金，期间 CAGR 8.0%。细分到各类不同工艺基板上AMB基板未来复合增速可达到 25.99%，DPC、DBC基板大致保持在6%左右的预期复合增速。
图4 全球陶瓷基板市场规模情况、细分种类陶瓷基板概况
下游市场多元化且需求强劲是陶瓷基板市场空间广阔的根本原因，我们预计未来几年覆铜陶瓷基板市场规模都将保持稳定快速增长，前景广阔。
1）IGBT市场：陶瓷基板是电力电子领域功率模块封装的不可或缺的关键基础材料。IGBT 市场规模快速增长，有望带动覆铜陶瓷基板市场快速放量。18 年，中国 IGBT 市场规模为 153 亿元，同比增长 19.91%，根据集邦咨询预测，随着新能源汽车等领域需求的大幅增加，到 2025 年中国 IGBT 市场规模将达到 522 亿元，CAGR19.11%，其中预计新能源汽车用 IGBT 市场规模达到 210 亿元，充电桩用 IGBT 市场规模达到 100 亿元。随着新能源汽车、风力发电和 5G 基站的快速发展，IGBT 功率不断加大，对基板上单位面积所需的散热量不断增大。与其他材料相比，氮化铝基板具有高导热系数、优异的尺寸稳定性与匹配性和优良的绝缘性能，因此高导热性氮化铝陶瓷基板需求有望随 IGBT 市场规模增长而快速放量。
2）汽车电子市场：陶瓷基板广泛用于汽车的传感器芯片封装等，如激光雷达、摄像头、毫米波雷达等。智能驾驶下激光雷达行业迅猛发展，目前，车载激光雷达量产突破，VCSEL 方案上车提升DPC 基板需求。VCSEL的芯片转化效率低，意味着要面临散热问题和热电分离问题，其次VCSEL的功率密度非常高，每平方毫米可以做到千瓦以上，所以只能采用真空封装，即基板要做三维腔室，把透镜架设到芯片上方因此，实现高效散热、热电分离及热膨胀系数匹配成为VCSEL 封装基板选择的重要考量。DPC 陶瓷基板具备了高导热、高绝缘、高线路精准度、高表面平整度及热膨胀系数与芯片匹配、可垂直互连等诸多特性，极大满足了VCSEL的封装要求。根据 Yole 的数据显示，2021 年，全球用于汽车与工业领域的激光雷达出货量预计达 30 万台，市场规模高达 21 亿美元，相较 2020 年增长了 18%；而 2021 年我国激光雷达行业市场规模达 6.3 亿元，较 2020 年增加 2.9 亿元，同比增长 85.29%，据智研咨询测算，预计2025 年我国激光雷达市场规模将达到 43.1 亿元，市场前景十分广阔。
3）LED 市场：LED 照明市场体量大，增长稳定，拉动陶瓷基板需求不断提升。中商产业研究院数据显示，我国 LED 照明行业市场规模逐年增长。由 2017 年 6358 亿元增至 2020 年 8627 亿元，年均复合增长率为 10.7%。根据中商产业研究院预测，2022 年我国 LED 照明行业市场规模可达 10085 亿元，同比增长 7.0%。由于陶瓷材料强度高、绝缘性好、导热和耐热性能优良、热膨胀系数小，性能优势显著，因而其在 LED 封装中的渗透率有望不断提升。
三、国内外陶瓷基板主流厂商情况
覆铜陶瓷基板作为SiC/IGBT芯片工作载体，当前国产化率仅5%左右，国产替代空间很大，高端应用基板市场份额近乎被美国罗杰斯、德国贺利氏、KCC 、日本京瓷、丸和占领。国内目前主要玩家为台湾同欣、江苏富乐华、国瓷材料、博敏电子、南京中江、万士达及浙江精瓷等。
图5 全球及国内覆铜陶瓷基板主要厂商
海外主要玩家情况：
1）罗杰斯ROGERS：罗杰斯于 1832 年成立，总部位于美国亚利桑那州钱德勒市，是金属化陶瓷基板的市场和技术领导者，拥有curamik®品牌直接覆铜（DBC）和活性金属钎焊（AMB）基板，由罗杰斯先进电子解决方案(AES) 事业部负责。
2）韩国KCC集团：韩国KCC集团成立于1958 年8 月12日，总部位于韩国首尔，产品主要有Al2O3 DBC基板、AlN DBC基板、ZTA DBC基板、Si3N4 AMB基板等。
3）Remtec,Inc.：Remtec 成立于 1990 年，于 1991 年底开发并全面测试厚/薄膜陶瓷金属化镀铜技术，并于 1992 年建立完整的生产和制造能力。自此一直从事金属化陶瓷基板、芯片载体的设计和制造、表面贴装密封/非密封陶瓷封装和各种电子应用的特殊组件。2015年被Legacy Technologies Inc.收购，作为独立公司运营 。
4）贺利氏科技集团：贺利氏科技集团总部位于德国哈瑙市，在1660 年从一间小 药房起家，并于1851年正式成立公司，如今已发展成为一 家拥有多元化产品和业务的家族企业。贺利氏电子是贺利氏集团的一个业务单元，是电子封装材料应用领域的材料及匹配材料解决方案专家，核心业务涵盖：键合丝、组装材料、厚膜浆料以及复合金属条带和陶瓷基板。
国内玩家情况：
1）国瓷材料：
国瓷材料业务包含氧化铝粉体-基片、氮化铝粉体-基片生产，2023年1月正式收购赛创电气（铜陵）尝试实现纵向一体化布局。据国瓷材料公告：《关于赛创电气（铜陵）有限公司之股权转让协议》赛创电气的主要产品为 LED 陶瓷封装基板、车用传感器陶瓷基板、车载雷达陶瓷基板、功率激光热沉、半导体制冷器陶瓷基板等，实现了DPC 陶瓷基板的规模化量产，未来还会研发氮化硅陶瓷基板、多层陶瓷基板，并开发 AMB 和 DBC 工艺。此外，据公司公告，国瓷材料通过自主研发攻克了高端氧化铝粉体-基片、氮化铝粉体-基片的核心技术并实现量产，氮化硅粉体和基片已实现中试量产，现已成为国内陶瓷基板企业的重要供应商。赛创电气为中国大陆 DPC 陶瓷 基板的头部企业，而国瓷材料具备粉体和陶瓷基片的全面自制能力，此次收购是国瓷材料向下游陶瓷基板环节延伸，实现“粉体-基片-基板”的全产业链布局。根据相关网站信息披露，收购前赛创电气具有DPC陶瓷基板产线3条，年产能约为360万片，产值3000万元/月。
2）南京中江：
南京中江新材料科技有限公司位于中国南京滨江开发区。是一家拥有自主知识产权，集研发、生产氧化铝和氮化铝覆铜陶瓷基板企业，通过铜与陶瓷基板的高温键合和高精度蚀刻，实现智能化生产流水线，能够生产出各类型高性能陶瓷基板，月产能约为10万片。
3）博敏电子：
博敏电子成立于 1994 年，目前公司以自身 PCB 业务为核心，横向不断向 PCBA 贴装、电子电路装联、电子器件研制等方向拓宽；纵向不断提升产品深度，目前形成了主营业务+创新业务的新型模式（PCB+），增加了公司核心竞争优势，2022 年底 AMB 月产能 8 万片，预计 2023 年底月产能达到 12~15 万片。根据公司公告，截止 2022 年 10 月，公司 AMB 产能达到 8 万片/月。根据公司公告显示，目前公司陶瓷衬板主要以 AMB 为主，DBC 工艺占比约为 5%，占比较低，公司预计 2023 年底 AMB 产能可达到 12~15 万张/月，合肥项目达产后预计实现 AMB 基板产能 30 万片/月。
4）江苏富乐华：
江苏富乐华半导体科技股份有限公司，成立于2018年3月。由上海申和投资有限公司控股，是专业从事功率半导体覆铜陶瓷载板（AMB、DBC、DPC）以及载板制作供应链材料的集研发、制造、销售于一体的先进制造业公司。公司依托Ferrotec集团在覆铜陶瓷载板领域耕耘近30年所取得的先进的生产技术，年产功率半导体覆铜陶瓷载板1800万片，且产能持续扩张，在四川建设生产基地竣工后可每年增加产量1080万片。
5）浙江德汇电子陶瓷有限公司：
浙江德汇电子陶瓷有限公司成立于2013年7月，主要致力于高性能氮化铝陶瓷电路板及其相关电子元器件的开发、生产和销售。产品包括AMB工艺高信赖性AlN覆铜衬板、 UVLED用AlN陶瓷覆铜无机封装基板、高功率LED用AlN陶瓷覆铜基板以及AlN陶瓷射频器件等。据官网信息，目前年产值在1亿元，DBC绍兴工厂年产量在144万片。
6）合肥圣达电子科技实业有限公司：
合肥圣达电子科技实业有限公司成立于1993年，是专注于高端封装及电子材料研制的高新技术企业。目前金属封装外壳年产量超过300万套，DBC基板产能达到100万片每年，AlN基板产能达4000平方米每年，电子浆料产能达60吨每年。圣达科技于合肥高新技术产业开发区建设AMB陶瓷基板项目，新增1条AMB陶瓷基板生产线及氮化硅基板生产线，开展AMB陶瓷基板及氮化硅基本的实验及批量化生产。
7）成都万士达
成都万士达瓷业有限公司是一家专门从事精密高导热陶瓷基板、 DBC陶瓷覆铜电路板的民营企业。产品主要有：96%氧化铝陶瓷 基板、DBC陶瓷覆铜板。2021年为进一步满足覆铜陶瓷基板(DBC)产 品市场需求，万士达结合其发展现状及未来 3至5年发展规划，拟使用自有资金及自筹资 金合计不超过1亿元投资新建流延工艺生产 线及覆铜陶瓷基板（DBC）扩量工程项目。
8）南通威斯派尔半导体技术有限公司：
南通威斯派尔半导体技术有限公司成⽴于 2020 年 3 月，专业从事活性金属钎焊技术（AMB）及直接覆铜（DBC）技术研发与制造。建设 IGBT 用覆铜陶瓷基板产业化项目，建成后年产覆铜陶瓷基板 200万片/年，其中 AMB 基板（氮化硅基板、氮化铝基板）150万片/年、DBC 基板（氧化铝基板）50 万片/年。2021年7月正式投产。
9) 浙江精瓷半导体有限责任公司：
浙江精瓷半导体股份有限公司创建于2020年12月，是一家新成立专业生产陶瓷制冷片、薄膜电路板、LED灯珠支架、陶瓷金属化等的公司，生产DPC/DBC/AMB陶瓷线路板。
四、 初步结论
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陶瓷基板凭借其出色的导热绝缘性，下游市场有着广泛的应用，在消费电子、汽车、医疗、工业多领域开花，其中DBC 借 IGBT 之风，伴随新能源与电动车领域发展迅猛，而氮化硅AMB基板凭借独有性能与碳化硅功率器件高度适配，随着800V高压平台带来的碳化硅用量上升，AMB基板未来有着更具想象力的前景。
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国内陶瓷基板发展较晚，但进展显著，随着LED、IGBT功率器件、汽车领域、聚光光伏（CPV）、通信、航天航空及其他领域市场的迫切需求，无论是国家政府还是国产众企业，均希望能实现重大技术突破，改变陶瓷基板长期依赖进口的局面，国产替代前景巨大，但目前上下游从粉体到陶瓷基板全流程布局的一体化企业相对较少。
7. 艾邦智造：DBC陶瓷基板产业报告
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