中國粉體網(wǎng)訊 在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中，以先進(jìn)陶瓷為代表的關(guān)鍵零部件是支撐半導(dǎo)體設(shè)備實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制造的重要載體，也是目前國產(chǎn)化替代的重要領(lǐng)域。同時，以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料已展現(xiàn)出極其重要的戰(zhàn)略性應(yīng)用價值，其中碳化硅單晶制備占據(jù)價值鏈最核心位置。4月25日，由中國粉體網(wǎng)主辦的“第三屆半導(dǎo)體行業(yè)用陶瓷材料技術(shù)研討會暨第三代半導(dǎo)體SiC晶體生長技術(shù)交流會”在江蘇蘇州隆重開幕，會議期間，我們邀請到眾多專家學(xué)者做客“對話”欄目，圍繞先進(jìn)陶瓷在半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用研究及碳化硅單晶生長技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)行了訪談交流。本期我們邀請到的是南京航空航天大學(xué)傅仁利教授。
中國粉體網(wǎng)：傅教授，請問陶瓷基板在半導(dǎo)體領(lǐng)域扮演著什么樣的角色？
傅教授：陶瓷基板在微電子封裝領(lǐng)域扮演著不可或缺的角色。因?yàn)�，隨著電子元器件向輕、薄、短、小的方向發(fā)展，從通訊技術(shù)來看，通信發(fā)展從2G到現(xiàn)在的5G，再到Sub6，甚至將來到太赫茲。
同時，隨著頻率的增高，通信技術(shù)對芯片的集成度要求也在提高，它對介質(zhì)材料的微波特性、信號傳輸、損耗和封裝過程中的工藝有著更高的要求，而我們傳統(tǒng)的PCB板是由樹脂加玻璃纖維制成，它的高頻性能、熱膨脹性能、介電性能都不能滿足現(xiàn)在電子器件高頻、高速、輕薄短小的封裝要求，特別是高功率電子元器件。
近幾年，隨著5G通信和新能源汽車的發(fā)展對封裝材料同樣也提出更高的要求，5G通信涉及到電子元器件的封裝密度和工作頻率的提高，它對介質(zhì)材料的微波特性提出了更高的要求；新能源汽車中用到大量的控制元件，包括電機(jī)的控制、信號的控制等等，這些應(yīng)用場景中使用傳統(tǒng)的PCB板是不能滿足其要求的。此外，從器件的封裝形式來講，目前主要是趨向于從二維、2.5D到三維的一種封裝模式，器件封裝形式的變化就對材料的物理特性、化學(xué)特性及機(jī)械特性都提出了更高的要求。那么，陶瓷基板正好彌補(bǔ)了我們傳統(tǒng)的PCB基板在這方面的短板，比如說，我們大家比較熟悉的氧化鋁陶瓷基板，它是通用型基板，可適用于多個應(yīng)用場景，其具有較好的力學(xué)性能、微波介電性能以及相對較好的導(dǎo)熱性能；其次，我們知道性能更為突出的明星產(chǎn)品就是氮化硅基板，我們很多車載的功率器件控制模塊都用到氮化硅陶瓷基板，因?yàn)樗辛己玫木C合性能，一個是適中的導(dǎo)熱性能，另一個是有良好的力學(xué)性能，電動汽車用功率器件控制模塊的功率導(dǎo)電端子需要承載數(shù)百安培的大電流，對電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率有較高的要求，車載環(huán)境中還要承受一定的振動和沖擊力，機(jī)械強(qiáng)度要求高。氮化硅有很高的斷裂韌性和強(qiáng)度，能夠適應(yīng)汽車內(nèi)部惡劣的環(huán)境，所以它成為一個明星產(chǎn)品；另外一個是氮化鋁，氮化鋁雖然有高導(dǎo)熱性，但是它的力學(xué)性能不如氮化硅，所以在車載上面沒有發(fā)揮更大的作用，但是隨著我們對高壓大功率的功率器件的需求日漸迫切，氮化鋁也受到了重視。另外一些，像氧化鈹、氮化硼等等材料，這些都有各自特殊的應(yīng)用領(lǐng)域，雖然量不是很大，但是它的作用是無可或缺的。
中國粉體網(wǎng)：傅教授，那半導(dǎo)體芯片封裝和微電子封裝之間有什么聯(lián)系？
傅教授：它們之間就是一個層次的問題。目前我們所熟悉的半導(dǎo)體封裝實(shí)際上是硅晶圓，我們把硅晶圓做完外延后通過各種制程，比如離子注入，形成一個一個的場效應(yīng)晶體管（PET），然后再通過測試、分切，封裝最后成芯片（chip）。那么，芯片的封裝一般有幾個層次，我們知道過去半導(dǎo)體制程還沒進(jìn)入納米、微米甚至是毫米階段，對封裝的要求并不高，因?yàn)楸旧硇酒某叽缇秃艽�，那這個時候用常規(guī)的封裝方式，比如說塑料封裝，而金屬陶瓷封裝和陶瓷封裝用的都比較少，一般都是塑料封裝居多，這個主要是在做wafer或者在芯片上的。
那么，現(xiàn)在陶瓷封裝實(shí)際上是封裝的一種方式，隨著封裝密度增大，傳統(tǒng)的塑料封裝雖然適應(yīng)性比較好，但是它的力學(xué)性能、熱學(xué)性能、介電特性不能滿足要求，就要考慮能夠適應(yīng)它的，比如說現(xiàn)在我們的芯片尺寸減小，它的特征尺寸從65納米到45納米，是一個飛躍，從65納米到45納米的芯片有一個叫High-K材料。當(dāng)芯片到45納米以下，一個wafer上有N多個器件，器件通過封裝后要通過與外部進(jìn)行信息的傳輸交換，還要給它進(jìn)行通電，那么這些N個管腳，我們通常叫IO。過去IO我們都是在側(cè)面，或者是一般是單面，或者四邊的方式，后面就轉(zhuǎn)換成再分布（RDL），這種方式是將管腳分布到底部，就是球珊陣列或者是微球珊陣列。這么多的管腳，因?yàn)樗男酒叽鐪p小，隨之管腳之間的距離也在減小，這種情況下，如果我們還用傳統(tǒng)的PCB板，那么當(dāng)環(huán)境改變的時，會出現(xiàn)熱膨脹以及其他機(jī)械應(yīng)力等原因，就會導(dǎo)致焊點(diǎn)失效，一旦一個焊點(diǎn)出現(xiàn)問題，整個芯片就會出現(xiàn)問題，芯片的可靠性會受到影響，所以就要找適用于該技術(shù)的封裝材料。因?yàn)槲覀兊男酒际腔诠鑱碜龅模敲刺沾刹牧吓c硅材料更匹配，陶瓷材料本身的導(dǎo)熱性、膨脹系數(shù)、機(jī)械性能等優(yōu)良特點(diǎn)，能適應(yīng)這種微小焊點(diǎn)的封裝；另外就是它還可以有效導(dǎo)熱，所以從本質(zhì)上來講，不管是塑料封裝還是金屬封裝的，還是陶瓷封裝，它都屬于芯片封裝的一種類型。只不過說陶瓷封裝它適用的是一些比較特殊的，或者是要求比較高的一些領(lǐng)域。
從制程來講，它也不完全一樣。因?yàn)樘沾捎糜陔娐分�，必須對其金屬化，相對于傳統(tǒng)PCB板有所不同。所以從技術(shù)難度上，包括傳統(tǒng)的制程上，它會有一些差異，包括后續(xù)在做疊層，還做一個芯片的固晶，都有一些針對陶瓷封裝的一些需求，這個有一定的差異。過去，我們國家在這方面的產(chǎn)業(yè)比如說新能源汽車、航空航天等方面，沒有像現(xiàn)在這么發(fā)達(dá)，需求也沒那么多，現(xiàn)在我們知道隨著航空航天，還有我們新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，這方面需求也隨之增加。所以這個材料開始得到廣泛關(guān)注，他關(guān)注了才有應(yīng)用，應(yīng)用的話才有一些問題，然后才開始做一些相關(guān)研究。
中國粉體網(wǎng)：傅教授，我們在陶瓷基板技術(shù)上的發(fā)展現(xiàn)狀如何？應(yīng)該從哪些方面來提高相關(guān)的技術(shù)水平？
傅教授：我通過參加我們粉體網(wǎng)組織的相關(guān)會議，還有參與其他的一些跟電子封裝相關(guān)的一些學(xué)術(shù)會，還有一些產(chǎn)業(yè)會，已經(jīng)很欣喜的看到我們國家已經(jīng)從國家層面上開始布局。我們國家從工信部、科技部，還有各個其他相關(guān)的部門都在布局相關(guān)的產(chǎn)業(yè)及科學(xué)研究。包括新材料，特別是像氮化硅，過去在我們國家這個領(lǐng)域基本上是空白。今天上午我聽了中材高新張偉儒教授的報告，他介紹了中材高新在氮化硅材料方面的布局，可以看到包括像中材高新為代表的相關(guān)基板廠家，已經(jīng)可以完全覆蓋目前我們的需求。從產(chǎn)品類別來看，比如像氧化鋁、氮化鋁、氮化硅，甚至是氮化硼、碳化硅等等材料，我們已經(jīng)基本上可以覆蓋整個產(chǎn)業(yè)鏈的需求了。
但是目前來講，我們還需要解決幾個關(guān)鍵點(diǎn)。如果想要獲得性能好的陶瓷基板，就需要性能好的粉體，目前我們的粉體制備技術(shù)離先進(jìn)水平還有一定的距離，同時我們的裝備也一樣，我們知道陶瓷基板的基本制程是粉體加裝備然后就是加工工藝。當(dāng)然，我們在裝備上面也有一定的突破，目前國內(nèi)已經(jīng)有企業(yè)包括以北方華創(chuàng)、湖南頂立為代表的做先進(jìn)陶瓷基板燒結(jié)的企業(yè)，也能夠滿足國內(nèi)企業(yè)的需求�？赡芩麄冏约阂苍诓粩嗟�，包括粉體廠家，包括基板廠家，甚至都包括下游的應(yīng)用的廠家。因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用過程當(dāng)中，陶瓷具有一些特殊的特性，包括金屬化技術(shù)，包括它與芯片的連接技術(shù)等，這些特殊的技術(shù)要求還依賴于這個上下游產(chǎn)業(yè)鏈的相互配合，然后去解決在實(shí)際應(yīng)用過程當(dāng)中存在的一些難點(diǎn)和痛點(diǎn)。
總的來講，從技術(shù)層面上來講，我們國內(nèi)已經(jīng)具備從陶瓷粉體生產(chǎn)到基板燒結(jié)，到實(shí)際封裝應(yīng)用的整個制程。但是我們的水平可能還沒有達(dá)到國內(nèi)的對先進(jìn)制程的要求，也沒達(dá)到國際的最高水平。那么我認(rèn)為這個領(lǐng)域會隨著企業(yè)、政府，還有我們客戶應(yīng)用端的一個重視，其發(fā)展的加速度會很快。我估計(jì)在可預(yù)期的未來，很快就能達(dá)到國際先進(jìn)水平。
中國粉體網(wǎng)：傅教授，能否分享一下近些年您的一些研究成果？
傅教授：好的，非常感謝我們粉體網(wǎng)給我們這個機(jī)會做分享。我們課題組從2000年開始，一直致力于先進(jìn)陶瓷封裝的研究。我們最早開始做氧化鋁陶瓷的基板，氧化鋁陶瓷板金屬化技術(shù)研究，包括后續(xù)還做微波介質(zhì)陶瓷，還有一些跟LED相關(guān)的LED封裝。一方面，我們在做芯片在陶瓷上面進(jìn)行封裝過程當(dāng)中的一個電路，實(shí)際上就是一個金屬化。所謂金屬化就是在陶瓷表面敷一層與陶瓷粘結(jié)牢固而又不易被熔化的金屬薄膜，使其導(dǎo)電，隨后用焊接工藝與金屬引線或其他金屬導(dǎo)電層相連接而成為一體。在技術(shù)選擇上不管是用DPC，還是用AMB方式、覆銅、覆鋁，還是其他的厚膜用銀漿來制備電路等等，我們都做了多年的一些研究工作。
從我們的研究過程來講，發(fā)現(xiàn)材料體系跟材料的適配性是非常關(guān)鍵的。有一些問題，我們在學(xué)校里著重解決的是一些關(guān)鍵的技術(shù)和科學(xué)問題，比如說金屬怎么跟陶瓷連接，連接了以后它形成的一個界面的結(jié)構(gòu)，我們做了一些比較深入的研究。另外我們利用厚膜工藝來制備不同多層電路，怎么進(jìn)行其信號的傳輸，電源的輸入等這方面的技術(shù)做了研究。
實(shí)際上，從我們課題組研究的內(nèi)容來看，我們是基于產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程當(dāng)中，針對陶瓷線路板有一個技術(shù)化的制程要求。另外在基于產(chǎn)業(yè)的需求基礎(chǔ)之上，我們又自己獨(dú)立的開發(fā)了一些特殊的封裝方式，比如說我們最近研究的基于3D封裝的TCV、TGV等封裝方式；還有用傳統(tǒng)的化學(xué)電鍍方法來做高精細(xì)電路；基于陶瓷金屬化技術(shù)，我們還做了一些陶瓷均熱板；還有就是在集成封裝方面做了探索。也希望我們能跟有意向的企業(yè)一起合作，把這些技術(shù)或者把這些成果能夠用到我們實(shí)際產(chǎn)品當(dāng)中。
中國粉體網(wǎng)：好的，感謝傅教授今天接受我們的采訪，謝謝。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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