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【原创】粉体技术+设备提升，是我国陶瓷基板产业突破的关键——访南京航空航天大学傅仁利教授

空青

2024.5.27 | 点击 3709次

导读 南京航空航天大学傅仁利教授做客对话栏目。

中国粉体网讯 在半导体产业链中，以先进陶瓷为代表的关键零部件是支撑半导体设备实现先进制造的重要载体，也是目前国产化替代的重要领域。同时，以碳化硅为代表的第三代半导体材料已展现出极其重要的战略性应用价值，其中碳化硅单晶制备占据价值链最核心位置。4月25日，由中国粉体网主办的“第三届半导体行业用陶瓷材料技术研讨会暨第三代半导体SiC晶体生长技术交流会”在江苏苏州隆重开幕，会议期间，我们邀请到众多专家学者做客“对话”栏目，围绕先进陶瓷在半导体行业的应用研究及碳化硅单晶生长技术及产业化进行了访谈交流。本期我们邀请到的是南京航空航天大学傅仁利教授。

中国粉体网：傅教授，请问陶瓷基板在半导体领域扮演着什么样的角色？

傅教授：陶瓷基板在微电子封装领域扮演着不可或缺的角色。因为，随着电子元器件向轻、薄、短、小的方向发展，从通讯技术来看，通信发展从2G到现在的5G，再到Sub6，甚至将来到太赫兹。

同时，随着频率的增高，通信技术对芯片的集成度要求也在提高，它对介质材料的微波特性、信号传输、损耗和封装过程中的工艺有着更高的要求，而我们传统的PCB板是由树脂加玻璃纤维制成，它的高频性能、热膨胀性能、介电性能都不能满足现在电子器件高频、高速、轻薄短小的封装要求，特别是高功率电子元器件。

近几年，随着5G通信和新能源汽车的发展对封装材料同样也提出更高的要求，5G通信涉及到电子元器件的封装密度和工作频率的提高，它对介质材料的微波特性提出了更高的要求；新能源汽车中用到大量的控制元件，包括电机的控制、信号的控制等等，这些应用场景中使用传统的PCB板是不能满足其要求的。此外，从器件的封装形式来讲，目前主要是趋向于从二维、2.5D到三维的一种封装模式，器件封装形式的变化就对材料的物理特性、化学特性及机械特性都提出了更高的要求。那么，陶瓷基板正好弥补了我们传统的PCB基板在这方面的短板，比如说，我们大家比较熟悉的氧化铝陶瓷基板，它是通用型基板，可适用于多个应用场景，其具有较好的力学性能、微波介电性能以及相对较好的导热性能；其次，我们知道性能更为突出的明星产品就是氮化硅基板，我们很多车载的功率器件控制模块都用到氮化硅陶瓷基板，因为它有良好的综合性能，一个是适中的导热性能，另一个是有良好的力学性能，电动汽车用功率器件控制模块的功率导电端子需要承载数百安培的大电流，对电导率和热导率有较高的要求，车载环境中还要承受一定的振动和冲击力，机械强度要求高。氮化硅有很高的断裂韧性和强度，能够适应汽车内部恶劣的环境，所以它成为一个明星产品；另外一个是氮化铝，氮化铝虽然有高导热性，但是它的力学性能不如氮化硅，所以在车载上面没有发挥更大的作用，但是随着我们对高压大功率的功率器件的需求日渐迫切，氮化铝也受到了重视。另外一些，像氧化铍、氮化硼等等材料，这些都有各自特殊的应用领域，虽然量不是很大，但是它的作用是无可或缺的。

中国粉体网：傅教授，那半导体芯片封装和微电子封装之间有什么联系？

傅教授：它们之间就是一个层次的问题。目前我们所熟悉的半导体封装实际上是硅晶圆，我们把硅晶圆做完外延后通过各种制程，比如离子注入，形成一个一个的场效应晶体管（PET），然后再通过测试、分切，封装最后成芯片（chip）。那么，芯片的封装一般有几个层次，我们知道过去半导体制程还没进入纳米、微米甚至是毫米阶段，对封装的要求并不高，因为本身芯片的尺寸就很大，那这个时候用常规的封装方式，比如说塑料封装，而金属陶瓷封装和陶瓷封装用的都比较少，一般都是塑料封装居多，这个主要是在做wafer或者在芯片上的。

那么，现在陶瓷封装实际上是封装的一种方式，随着封装密度增大，传统的塑料封装虽然适应性比较好，但是它的力学性能、热学性能、介电特性不能满足要求，就要考虑能够适应它的，比如说现在我们的芯片尺寸减小，它的特征尺寸从65纳米到45纳米，是一个飞跃，从65纳米到45纳米的芯片有一个叫High-K材料。当芯片到45纳米以下，一个wafer上有N多个器件，器件通过封装后要通过与外部进行信息的传输交换，还要给它进行通电，那么这些N个管脚，我们通常叫IO。过去IO我们都是在侧面，或者是一般是单面，或者四边的方式，后面就转换成再分布（RDL），这种方式是将管脚分布到底部，就是球珊阵列或者是微球珊阵列。这么多的管脚，因为它的芯片尺寸减小，随之管脚之间的距离也在减小，这种情况下，如果我们还用传统的PCB板，那么当环境改变的时，会出现热膨胀以及其他机械应力等原因，就会导致焊点失效，一旦一个焊点出现问题，整个芯片就会出现问题，芯片的可靠性会受到影响，所以就要找适用于该技术的封装材料。因为我们的芯片都是基于硅来做的，那么陶瓷材料与硅材料更匹配，陶瓷材料本身的导热性、膨胀系数、机械性能等优良特点，能适应这种微小焊点的封装；另外就是它还可以有效导热，所以从本质上来讲，不管是塑料封装还是金属封装的，还是陶瓷封装，它都属于芯片封装的一种类型。只不过说陶瓷封装它适用的是一些比较特殊的，或者是要求比较高的一些领域。

从制程来讲，它也不完全一样。因为陶瓷用于电路中，必须对其金属化，相对于传统PCB板有所不同。所以从技术难度上，包括传统的制程上，它会有一些差异，包括后续在做叠层，还做一个芯片的固晶，都有一些针对陶瓷封装的一些需求，这个有一定的差异。过去，我们国家在这方面的产业比如说新能源汽车、航空航天等方面，没有像现在这么发达，需求也没那么多，现在我们知道随着航空航天，还有我们新能源汽车产业的快速发展，这方面需求也随之增加。所以这个材料开始得到广泛关注，他关注了才有应用，应用的话才有一些问题，然后才开始做一些相关研究。

中国粉体网：傅教授，我们在陶瓷基板技术上的发展现状如何？应该从哪些方面来提高相关的技术水平？

傅教授：我通过参加我们粉体网组织的相关会议，还有参与其他的一些跟电子封装相关的一些学术会，还有一些产业会，已经很欣喜的看到我们国家已经从国家层面上开始布局。我们国家从工信部、科技部，还有各个其他相关的部门都在布局相关的产业及科学研究。包括新材料，特别是像氮化硅，过去在我们国家这个领域基本上是空白。今天上午我听了中材高新张伟儒教授的报告，他介绍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为代表的相关基板厂家，已经可以完全覆盖目前我们的需求。从产品类别来看，比如像氧化铝、氮化铝、氮化硅，甚至是氮化硼、碳化硅等等材料，我们已经基本上可以覆盖整个产业链的需求了。

但是目前来讲，我们还需要解决几个关键点。如果想要获得性能好的陶瓷基板，就需要性能好的粉体，目前我们的粉体制备技术离先进水平还有一定的距离，同时我们的装备也一样，我们知道陶瓷基板的基本制程是粉体加装备然后就是加工工艺。当然，我们在装备上面也有一定的突破，目前国内已经有企业包括以北方华创、湖南顶立为代表的做先进陶瓷基板烧结的企业，也能够满足国内企业的需求。可能他们自己也在不断迭代，包括粉体厂家，包括基板厂家，甚至都包括下游的应用的厂家。因为在实际应用过程当中，陶瓷具有一些特殊的特性，包括金属化技术，包括它与芯片的连接技术等，这些特殊的技术要求还依赖于这个上下游产业链的相互配合，然后去解决在实际应用过程当中存在的一些难点和痛点。

总的来讲，从技术层面上来讲，我们国内已经具备从陶瓷粉体生产到基板烧结，到实际封装应用的整个制程。但是我们的水平可能还没有达到国内的对先进制程的要求，也没达到国际的最高水平。那么我认为这个领域会随着企业、政府，还有我们客户应用端的一个重视，其发展的加速度会很快。我估计在可预期的未来，很快就能达到国际先进水平。

中国粉体网：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，非常感谢我们粉体网给我们这个机会做分享。我们课题组从2000年开始，一直致力于先进陶瓷封装的研究。我们最早开始做氧化铝陶瓷的基板，氧化铝陶瓷板金属化技术研究，包括后续还做微波介质陶瓷，还有一些跟LED相关的LED封装。一方面，我们在做芯片在陶瓷上面进行封装过程当中的一个电路，实际上就是一个金属化。所谓金属化就是在陶瓷表面敷一层与陶瓷粘结牢固而又不易被熔化的金属薄膜，使其导电，随后用焊接工艺与金属引线或其他金属导电层相连接而成为一体。在技术选择上不管是用DPC，还是用AMB方式、覆铜、覆铝，还是其他的厚膜用银浆来制备电路等等，我们都做了多年的一些研究工作。

从我们的研究过程来讲，发现材料体系跟材料的适配性是非常关键的。有一些问题，我们在学校里着重解决的是一些关键的技术和科学问题，比如说金属怎么跟陶瓷连接，连接了以后它形成的一个界面的结构，我们做了一些比较深入的研究。另外我们利用厚膜工艺来制备不同多层电路，怎么进行其信号的传输，电源的输入等这方面的技术做了研究。

实际上，从我们课题组研究的内容来看，我们是基于产业的发展过程当中，针对陶瓷线路板有一个技术化的制程要求。另外在基于产业的需求基础之上，我们又自己独立的开发了一些特殊的封装方式，比如说我们最近研究的基于3D封装的TCV、TGV等封装方式；还有用传统的化学电镀方法来做高精细电路；基于陶瓷金属化技术，我们还做了一些陶瓷均热板；还有就是在集成封装方面做了探索。也希望我们能跟有意向的企业一起合作，把这些技术或者把这些成果能够用到我们实际产品当中。

中国粉体网：好的，感谢傅教授今天接受我们的采访，谢谢。

（中国粉体网编辑整理/空青）

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