金属化陶瓷基板在光器件的应用发展

市场亮点•陶瓷基板市场高速增长，国产化刚起步，国内厂商未来有望成为行业主流厂商。•随着AI（大算力）、光电集成（激光雷达、硅光等）、功率器件（SiC、IGBT、GaN等）、先进封装需求高速增长，以及芯片集成度越来越高，对陶瓷基板的需求高速增长。•未来国内市场主流的陶瓷基板厂商是国内供应商。•相关产业链主要在中国，下游国产化率高，对上游的国产化提出了要求。•陶瓷基板是定制化产品，客户需要基板厂商快速研发产品、配合其新产品上市进度，国内厂商比国外厂商服务响应更快、服务更好。•最近几年，中国厂商在陶瓷基板技术上的突破，开启国产化进程。真空薄膜设备和工艺技术在供应陶瓷基板的同时，提供焊接工艺的服务。 材料技术钎焊和玻璃封技术 行业背景：大算力时代，功率半导体已经成为趋势•化合物半导体通常指第二代、第三代半导体材料，又称为功率半导体。•第二代半导体材料主要指化合物（砷化镓GaAs、锑化铟InSb）、三元化合物（GaAsAl、GaAsP）、固溶体（Ge-Si、GaAs-GaP）、玻璃（又称非晶态半导体，如非晶硅、玻璃态氧化物）、有机（酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈）等材料。•第三代半导体材料主要指宽禁带半导体材料（碳化硅SiC、氮化镓GaN、氧化锌ZnO、金刚石、氮化铝AlN等）。主要应用为半导体光电和光通讯器件、电子功率放大器件、激光器和探测器以及其他功能器件领域。•热是影响大功率半导体器件可靠性的关键因素。电子元器件 55%故障率来自热失效。通常温度每升高10℃，器件有效寿命就降低30%~50%。•封装基板作为大功率半导体器件重要的散热通道，其选择和结构设计对性能至关重要。 行业背景：功率半导体采用高端封装成为市场主流芯片第一代半导体芯片化合物半导体芯片1. 热匹配问题2. 绝缘性问题3. 密封性问题4. 封装技术环氧树脂PCB基板砷化镓、氮化镓基金属陶瓷管壳陶瓷基板传统半导体封装技术金属陶瓷封装技术 •TFC陶瓷基板：主要为第二、三代半导体芯片的金属陶瓷封装服务，目前国际主流（主要是日本京瓷、丸和等公司）主要采用PVD技术，优势可焊性和打线强度高；•DPC陶瓷基板：主要事大功率LED和半导体激光器，功率型传感器等使用，主要事PVD金属化，然后利用电镀技术增厚到120微米；同时上述两种技术可以制备陶瓷电路板，这是一种新型的电路基板。与DBC相比得优势在于图形、位置精度可以到微米级，铜附着力好，抗应力（高低温冲击）强。•AMB陶瓷基板：作为SIC、IGBT模块中其重要基板，其生产工艺复杂，要求精度高。随着动车、电动汽车、风力发电以及智能电网的高速发展，国内对其的需求量呈增长趋势，目前主要从日本、美国和德国进口，国内富乐华实现批量供货，还有少量国内厂商在小批量供货、客户测试中。随着大功率芯片和第二、三代半导体芯片的兴起对陶瓷材料提出更高的要求：氮化铝覆金基板基板材料：氮化铝，金刚石，碳化硅和氮化硅等导热、绝缘和抗高频性能1到10微米金属薄膜基板应用于芯片封装TFC陶瓷基板DPC陶瓷基板厚膜基板的定义和应用 氮化铝厚膜覆铜基板氮化铝覆铜基板20到120微米100-500微米厚膜基板主要是高功率芯片覆铜基板，IGBT封装DBC陶瓷基板AMB陶瓷基板 相应陶瓷基板对应的市场方向光通讯大功率半导体器件•光模块•应用成熟•激光雷达•动力电驱•新能源电控•半导体激光器•TEC•碳化硅功率芯片汽车电驱新能源 产品二：无源器件薄膜电阻电容单层陶瓷电容 陶瓷基板金属化技术难点&重要性能参数•金属化：金属和基板的附着力、应力•金锡预置：推力测试和残留量（芯片焊在热沉上，测试其焊接的牢固度，和推理测试完的残留面积）、共晶的温度、时间（是指金锡焊料熔化的温度、时间，以用于芯片焊接。厂家规定芯片测试台的测试温度、时间）。•过孔及填孔：深宽比》1：10以上的孔，激光打孔难度大，孔内填料填得不紧实、高温下易产生裂纹，影响射频信号传输。•电阻：电阻值大小控制（初始电阻通过光刻来控制），电阻（氮化钽、镍铬）的热膨胀系数与基板匹配（电阻是发热元器件）。•电容：高频性能，•陶瓷基板的重要性能参数：•附着力、导电性、热导率、膨胀系数和可焊性(打线和焊接） •电子器件技术，引领陶瓷基板发展方向•大功率•高频高速（材料的介电常数）•小型化•轻量化•高可靠性•采用高导热材料制作电路封装和基板是实现电路散热、高可靠性的有效方法之一。•随着芯片越来越小型化，陶瓷基板金锡预置成为标配，也趋向小型化，导热性能越来越高。•随着先进封装占比越来越大，陶瓷基板金锡预置、过孔成为标配，三维陶瓷基板替代部分平面陶瓷基板，用量越来越大。陶瓷基板技术发展趋势 10 技术难点：陶瓷金属化技术•陶瓷基板：氧化铝，氮化铝，碳化硅，金刚石及其复合高导热材料，铁氧体，碲化铋，蓝宝石，石英和光学玻璃等非金属氧化物和各类玻璃•技术难点一：不仅可以在各种陶瓷和晶体（玻璃）上进行金属化，还可以在各种塑料材质上进行金属化。•陶瓷表面金属化：通过力学性能的模拟，选择某些和陶瓷的键合强度高的特殊金属材料，采用高真空离子束辅助蒸镀和磁控溅射技术，形成了具有自主知识产权的工艺，对陶瓷及其各种金属氧化物（玻璃）进行金属化.•技术难点二：如何把金属化的附着力达到或者超过日本同类产品，同时把应力降到最低，就需要有材料和镀膜设备的制造背景。•金锡焊料热沉：如何稳定金锡的质量比，实现高质量的金锡薄膜焊料。•技术难点三：需要把材料，真空镀膜机工艺和焊接有机结合一体，从而优化各种金属膜和焊料的工艺，还可以给客户提供相应的焊接解决方案。•薄膜电阻、电容：在陶瓷基板上制备氮化钽薄膜电阻和镍铬薄膜电阻，如何降低热影响？•陶瓷板打孔封接技术：用啥技术和材料及其工艺完成•技术难点四：提高填孔质量 11