AlN陶瓷基片专利技术分析.pdf
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1、中国科技信息 2024 年第 4 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024-20-专利分析随着第三代半导体的崛起和发展,半导体功率器件集成度和功率密度明显提高,电子封装系统的散热问题已成为影响其性能和寿命的关键。陶瓷基片因兼具高耐热性、高热导率、高可靠性、低的热失配率、好的绝缘性能和高频特性,被认为是最有前途的封装材料,近年来得以快速发展。AlN陶瓷因具有高热导率、低介电常数、与 Si 相匹配的热膨胀系数以及良好的绝缘性等优点成为电路基片材料的最佳选择之一。本文通过对半导体功率器件用 AlN 陶瓷基片的国内外专利进行分析,得到 AlN
2、 陶瓷基片技术的国内外发展状况及发展方向,供相关领域技术人员参考。相关中文专利数据来源为中国专利全文数据库(CNTXT),外文专利数据来源为外国专利全文中文翻译数据库(ENTXTC),检索数据截至2023 年 8 月。申请趋势图 1 是 AlN 陶瓷基片全球专利申请趋势分析,具体对比了全球、中国和日本的专利申请趋势。全球专利申请趋势整体可分为三个阶段,第一增长期(19801993 年)、回落期(19932005 年),第二增长期(2005 年至今)。第一增长期和回落期主要由日本引领,日本是最早开展 AlN陶瓷基片研发工作的发达国家,这一时期,日本对于 AlN 陶瓷基片研发取得了阶段性成果并投入
3、工业化生产。1993 年后,该项技术的申请量整体呈下降趋势,稍有震荡。第二增长期主要由中国引领,中国涉及 AlN 基片的专利申请始于 1995 年,起步较晚,19952005 年间均处于萌芽期,申请量较少。2005 年起进入迅速增长期,并在 2015 年左右达到高峰。在此期间,增长的趋势出现震荡,侧面反映出AlN 基片制备技术仍然是一个活跃的研究领域,并且随着技术的不断进步和应用领域的不断拓展,相关的专利申请量可能会继续增长。行业曲线开放度创新度生态度检索量持续度可替代度影响力行业关联度AlN 陶瓷基片专利技术分析钟玉姣 曹苏恬 温 馨钟玉姣 曹苏恬(等同第一作者)温 馨国家知识产权局专利局专
4、利审查协作四川中心钟玉姣(1990),硕士研究生,知识产权师,从事催化剂领域专利审查。曹苏恬,硕士研究生,知识产权师,从事暖通空调领域专利审查。课题项目:本文成果来自国家知识产权局学术委员会 2023 年度半导体功率器件用陶瓷基板及金属化技术专利分析课题。图 1 AlN 陶瓷基片全球专利申请趋势分析-21-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024中国科技信息 2024 年第 4 期专利分析专利各国分布图 2 对 AlN 陶瓷基片相关专利的主要申请人分布的国家进行了排名,日本位列第一且遥遥领先,第二名的中国仅为其申请量的 1/3。美国、韩
5、国、德国分列第 35 名,其申请量远低于中、日两国。日本制备 AlN 基片的公司主要有京瓷、日本特殊陶业、住友、富士通、东芝、电气化学等,这些日本企业在全球 AlN 基片领域具有较高的产量和市场份额,并拥有先进的生产技术和研发能力。国内生产 AlN 基片的企业包括福建华清电子材料科技有限公司、三环集团、国瓷材料等,国内的 AlN 原料批次不稳定性和制备成本较高,成为国内制备高端 AlN 陶瓷基片材料的瓶颈。因而,国内 AlN 基片的相关专利申请总量与日本相差极大。美国的罗杰斯、德国的贺利氏、韩国 KCC 等企业在 AlN 基片的研发、生产和销售方面也具有较高的市场份额,因而该企业所在国家的技术
6、实力也能够从专利量上得到体现。技术问题分布图 3 是根据 AlN 基片相关专利的技术问题标引得到的全球申请人、日本申请人和中国申请人在专利申请中所关注的技术问题分布。从图 3 可以看出,AlN 陶瓷基片的热导率、断裂韧性、致密度、生产成本、电阻率、热膨胀性能、抗压强度、耐腐蚀性能、生产效率及表面平整度是全球申请人关注的主要技术问题,其中热导率和断裂韧性是全球申请人、日本申请人和中国申请人关注的两个首要技术问题。虽然 AlN 陶瓷的理论热导率为 319W/(mk),但是 AlN 陶瓷的实际热导率受晶格氧、非晶层、AlN 晶粒尺寸、晶界相及微观结构缺陷等多因素的综合影响,目前 AlN 基片的热导率
7、仍然未达到理论值,因此高热导率的 AlN 陶瓷仍然是全球申请人追逐的目标。AlN 陶瓷属于高强度的硬脆材料,使用寿命较短,限定了 AlN 在作为基片材料中的应用,为了改善 AlN 基片脆性较大的缺陷,AlN 陶瓷的断裂韧性、抗弯强度成为全球申请人关注的主要问题之一。除热导率和断裂韧性两个技术问题外,日本申请人更为关注 AlN 基片的电阻率,而中国申请人则更为关注生产效率。日本申请人对 AlN 基片的平整度及与金属化层结合性能的关注度明显高于中国申请人,而上述技术问题是 AlN 陶瓷基片用于后续电子封装技术所必须考虑的性能,中国申请人对 AlN 陶瓷基片制备工艺的生产效率、绿色环保及浆料均匀性的
8、关注度高于日本申请人。因此,日本申请人的 AlN 基片专利与封装的后端工艺结合程度更高,而中国申请人更为关注基片本身的制造工艺,对后端金属化工艺所需具备的性能关注度较低。技术功效分析接下来针对 AlN 陶瓷基片相关专利中关注度较高的技术问题做进一步的技术功效分析。图 4 是中日申请人 AlN 陶瓷基片技术功效对比图,图中横坐标是专利中关注的主要技术问题,纵坐标是根据 AlN 陶瓷基片制备过程中所采用的原料和工艺步骤得到的技术手段。从图 4 可以看出,日本申请人主要通过 AlN 粉、烧结助剂、烧结工艺及添加剂的使用来改善 AlN 陶瓷基片的性能,对成型工艺及脱脂/排胶工艺的研究相对较少,而中国申
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