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(shí),，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(jià)值,，其中碳化硅單晶制備占據(jù)價(jià)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(huì)暨第三代半導(dǎo)體SiC晶體生長技術(shù)交流會(huì)”在江蘇蘇州隆重開幕,，會(huì)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)椋S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(shí),，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(gè)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(gè)是適中的導(dǎo)熱性能,，另一個(gè)是有良好的力學(xué)性能，電動(dòng)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(dòng)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(gè)明星產(chǎn)品,；另外一個(gè)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(gè)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(gè)一個(gè)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(gè)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(gè)時(shí)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(gè)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(gè)飛躍,，從65納米到45納米的芯片有一個(gè)叫High-K材料。當(dāng)芯片到45納米以下,，一個(gè)wafer上有N多個(gè)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(gè)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(shí),，會(huì)出現(xiàn)熱膨脹以及其他機(jī)械應(yīng)力等原因,，就會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)失效，一旦一個(gè)焊點(diǎn)出現(xiàn)問題,，整個(gè)芯片就會(huì)出現(xiàn)問題,，芯片的可靠性會(huì)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�,，那么陶瓷材料與硅材料更匹配,，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(huì)有一些差異，包括后續(xù)在做疊層,，還做一個(gè)芯片的固晶,，都有一些針對陶瓷封裝的一些需求，這個(gè)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(gè)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(huì)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(huì),，還有一些產(chǎn)業(yè)會(huì)，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(gè)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(gè)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(bào)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(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的需求了。
但是目前來講,，我們還需要解決幾個(gè)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(shí)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ǚ垠w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(gè)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(gè)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(gè)領(lǐng)域會(huì)隨著企業(yè)、政府,，還有我們客戶應(yīng)用端的一個(gè)重視,，其發(fā)展的加速度會(huì)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(gè)機(jī)會(huì)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(gè)電路,，實(shí)際上就是一個(gè)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(gè)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(gè)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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