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陶瓷基板的市场到底有多大?十亿?百亿?

16 2023-10-06
陶瓷基板
随着电子封装技术逐渐向着小型化、高密度、多功能和高可靠性方向发展,电子系统的功率密度随之增加,散热问题越来越严重。对于电子器件而言,通常温度每升高10°C,器件有效寿命就降低30%~50%。因此,选用合适的封装材料与工艺、提高器件散热能力就成为发展电子器件的技术瓶颈。

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其中,基板材料的选用是关键环节,直接影响到器件成本、性能与可靠性。常用的基板材料主要包括塑料基板、金属基板、陶瓷基板和复合基板四大类。目前,陶瓷基板虽然不是处于主导地位,但由于其良好的导热性、耐热性、绝缘性、低热膨胀系数和成本的不断降低,在电子封装特别是功率电子器件中的应用越来越广泛。

陶瓷基板按照工艺主要分为DPC、DBC、AMB、LTCC、HTCC等基板。根据GII报告显示,2020年陶瓷基板全球市场规模约为65亿美元,预测在2020年~2027年间将以6%的年复合成长率成长,2027年之前将达到100亿美元。


HTCC基板(高温共烧陶瓷)

HTCC基板制备过程中先将陶瓷粉(Al2O3或AlN)加入有机黏结剂,混合均匀后成为膏状陶瓷浆料,接着利用刮刀将陶瓷浆料刮成片状,再通过干燥工艺使片状浆料形成生胚;然后根据线路层设计钻导通孔,采用丝网印刷金属浆料进行布线和填孔,最后将各生胚层叠加,置于高温炉(1600℃)中烧结而成。目前已应用于高频无线通信领域、航空航天、存储器、驱动器、滤波器、传感器以及汽车电子等领域。
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HTCC基板
根据Market Watch的统计数据,2021年全球HTCC陶瓷基板市场规模约为22.12亿美元,预计2028年达到38.75亿美元,年复合增长率为8.3%左右。HTCC陶瓷基板行业市场集中度比较高,前三大厂商日本京瓷,日本丸和与日本特陶占据80%的全球HTCC陶瓷市场份额,行业内主要竞争者数量少,属于寡头竞争。

LTCC基板(低温共烧陶瓷)

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LTCC基板

为了降低HTCC制备工艺温度,同时提高线路层导电性,业界开发了LTCC基板。与HTCC制备工艺类似,只是LTCC制备在陶瓷浆料中加入了一定量玻璃粉来降低烧结温度,同时使用导电性良好的Cu、Ag和Au等制备金属浆料。LTCC基板制备温度低,但生产效率高,可适应高温、高湿及大电流应用要求,在军工及航天电子器件中得到广泛应用。

为了降低HTCC制备工艺温度,同时提高线路层导电性,业界开发了LTCC基板。与HTCC制备工艺类似,只是LTCC制备在陶瓷浆料中加入了一定量玻璃粉来降低烧结温度,同时使用导电性良好的Cu、Ag和Au等制备金属浆料。LTCC基板制备温度低,但生产效率高,可适应高温、高湿及大电流应用要求,在军工及航天电子器件中得到广泛应用。

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根据Market Watch发布的报告,2022年LTCC陶瓷基板的市场规模预计可达12.949亿美元,预计2028年市场规模将达到18.682亿美元,年复合增长率为6.3%。全球LTCC陶瓷基板的主要供应商包括村田制作所,日本京瓷,TDK株式会社等。

DPC基板(直接电镀陶瓷基板)

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DPC基板
其制作首先将陶瓷基片进行前处理清洗,利用真空溅射方式在基片表面沉积Ti/Cu层作为种子层,接着以光刻、显影、刻蚀工艺完成线路制作,最后再以电镀/化学镀方式增加线路厚度,待光刻胶去除后完成基板制作。

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根据HNY research发布数据,2021年全球DPC陶瓷基板市场规模大约为21亿美元,预计2027年将达到28.2亿美元,2022-2027期间年复合增长率(CAGR)为5.07%。全球主要的DPC陶瓷基板供应商包括日本京瓷、日本丸和、台湾同欣电子等。

DBC基板(直接键合铜陶瓷基板)

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DBC基板
该基板由陶瓷基片(Al2O3或AlN)与铜箔在高温下(1065℃)共晶烧结而成,最后根据布线要求,以刻蚀方式形成线路。DBC具有导热性好、绝缘性强、可靠性高等优点,已广泛应用于IGBT、LD和CPV封装。

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QY Research调研显示,2021年全球DBC陶瓷基板市场规模大约为3亿美元,预计2028年将达到5.5亿美元,2022-2028期间年复合增长率(CAGR)为9.0%。主要DBC陶瓷基板厂商包括美国Rogers、韩国KCC、日本Ferrotec旗下的江苏富乐华半导体科技股份有限公司等。

AMB基板(活性金属焊接陶瓷基板)

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AMB基板
AMB陶瓷基板是DBC工艺的进一步发展,该工艺通过含有少量稀土元素的焊料来实现陶瓷基板与铜箔的连接,其键合强度高、可靠性好。该工艺相较于DBC工艺键合温度低、易操作。

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根据QY Research报告,2021年AMB陶瓷基板市场规模约为0.9亿美元,预计2028年增长到3.8亿美元,复合增长率高达22.7%。主要供应商包括美国Rogers、德国Heraeus、日本电化株式会社(Denka)、日本同和(DOWA)。

材料方面,氮化铝、氮化硅将会起飞

目前陶瓷基板的主要材料以氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)和氮化硅(Si3N4三类为主。氧化铝陶瓷基板价格低廉(约为氮化铝的1/10),生产工艺成熟,目前产量最大,应用面最广。但是,氧化铝陶瓷基板的导热性能已无法满足大功率芯片的散热要求。
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氧化铝氮化硅
氮化铝的热导率是氧化铝的5倍,并且具备与硅材料相匹配的热膨胀系数,在大功率电力电子,以及其他需要高热传导的器件中,逐渐替代氧化铝陶瓷,是目前发展最快的陶瓷基板。
氮化硅被认为是综合性能最好的陶瓷基板材料,虽热导率不如氮化铝,但其抗弯强度、断裂韧性都可达到氮化铝的2倍以上。同时,氮化硅陶瓷基板的热膨胀系数与第三代半导体碳化硅相近,使得其成为碳化硅导热基板材料的首选。
综合来看,氮化铝陶瓷基板与氮化硅陶瓷基板最具发展前景。
2021年全球氮化硅陶瓷基板市场规模在4亿美元左右,在新能源汽车等终端市场需求推动下,中国已经成为全球重要的氮化硅陶瓷基板消费国,国内产品主要依赖进口,国内市场规模从2017年的0.27亿美元增长至2021年的1.20亿美元,GAGR为45.2%。随着IGBT和碳化硅MOS在新能源车领域的渗透率越来越高,市场空间有望进一步提升。

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2017-2021年全球及中国氮化硅陶瓷基板市场规模(单位:亿美元)

氮化铝基板的生产能力主要集中于全球少数厂家,其中日本是全球最大的氮化铝基板出口国,核心厂商为日本丸和、京瓷等。国内已涌现一批具备氮化铝基板批量生产的企业,龙头公司的产能已超50万片/月,逐步接近日本丸和。随着高质量氮化铝基板的生产能力不断提升,未来有望改变高性能陶瓷基板长期依赖进口的局面。
目前氮化铝陶瓷基板的市场空间约10亿元,2019年-2022年,国内氮化铝陶瓷基板市场空间的复合增长率超20%。随着下游大规模集成电路、IGBT、微波通讯、汽车电子及影像传感等产业的迅速发展,以及在电子器件功率提升的大背景下,氮化铝的应用规模将进一步扩大。根据行业专家预测,未来几年,氮化铝陶瓷基板的市场空间增速仍将保持在20%以上,按此增长速率计算,则2026年氮化铝陶瓷基板的市场空间有望达到20亿元。


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