中國粉體網訊  在半導體產業鏈中，以先進陶瓷為代表的關鍵零部件是支撐半導體設備實現先進制造的重要載體，也是目前國產化替代的重要領域。同時，以碳化硅為代表的第三代半導體材料已展現出極其重要的戰略性應用價值，其中碳化硅單晶制備占據價值鏈最核心位置。4月25日，由中國粉體網主辦的“第三屆半導體行業用陶瓷材料技術研討會暨第三代半導體SiC晶體生長技術交流會”在江蘇蘇州隆重開幕，會議期間，我們邀請到眾多專家學者做客“對話”欄目，圍繞先進陶瓷在半導體行業的應用研究及碳化硅單晶生長技術及產業化進行了訪談交流。本期我們邀請到的是南京航空航天大學傅仁利教授。

中國粉體網：傅教授，請問陶瓷基板在半導體領域扮演著什么樣的角色？

傅教授：陶瓷基板在微電子封裝領域扮演著不可或缺的角色。因為，隨著電子元器件向輕、薄、短、小的方向發展，從通訊技術來看，通信發展從2G到現在的5G，再到Sub6，甚至將來到太赫茲。

同時，隨著頻率的增高，通信技術對芯片的集成度要求也在提高，它對介質材料的微波特性、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，包括電機的控制、信號的控制等等，這些應用場景中使用傳統的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、化學特性及機械特性都提出了更高的要求。那么，陶瓷基板正好彌補了我們傳統的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，可適用于多個應用場景，其具有較好的力學性能、微波介電性能以及相對較好的導熱性能；其次，我們知道性能更為突出的明星產品就是氮化硅基板，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，因為它有良好的綜合性能，一個是適中的導熱性能，另一個是有良好的力學性能，電動汽車用功率器件控制模塊的功率導電端子需要承載數百安培的大電流，對電導率和熱導率有較高的要求，車載環境中還要承受一定的振動和沖擊力，機械強度要求高。氮化硅有很高的斷裂韌性和強度，能夠適應汽車內部惡劣的環境，所以它成為一個明星產品；另外一個是氮化鋁，氮化鋁雖然有高導熱性，但是它的力學性能不如氮化硅，所以在車載上面沒有發揮更大的作用，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用領域，雖然量不是很大，但是它的作用是無可或缺的。

中國粉體網：傅教授，那半導體芯片封裝和微電子封裝之間有什么聯系？

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體封裝實際上是硅晶圓，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，我們知道過去半導體制程還沒進入納米、微米甚至是毫米階段，對封裝的要求并不高，因為本身芯片的尺寸就很大，那這個時候用常規的封裝方式，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，現在陶瓷封裝實際上是封裝的一種方式，隨著封裝密度增大，傳統的塑料封裝雖然適應性比較好，但是它的力學性能、熱學性能、介電特性不能滿足要求，就要考慮能夠適應它的，比如說現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行信息的傳輸交換，還要給它進行通電，那么這些N個管腳，我們通常叫IO。過去IO我們都是在側面，或者是一般是單面，或者四邊的方式，后面就轉換成再分布（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，因為它的芯片尺寸減小，隨之管腳之間的距離也在減小，這種情況下，如果我們還用傳統的PCB板，那么當環境改變的時，會出現熱膨脹以及其他機械應力等原因，就會導致焊點失效，一旦一個焊點出現問題，整個芯片就會出現問題，芯片的可靠性會受到影響，所以就要找適用于該技術的封裝材料。因為我們的芯片都是基于硅來做的，那么陶瓷材料與硅材料更匹配，陶瓷材料本身的導熱性、膨脹系數、機械性能等優良特點，能適應這種微小焊點的封裝；另外就是它還可以有效導熱，所以從本質上來講，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域。

從制程來講，它也不完全一樣。因為陶瓷用于電路中，必須對其金屬化，相對于傳統PCB板有所不同。所以從技術難度上，包括傳統的制程上，它會有一些差異，包括后續在做疊層，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業比如說新能源汽車、航空航天等方面，沒有像現在這么發達，需求也沒那么多，現在我們知道隨著航空航天，還有我們新能源汽車產業的快速發展，這方面需求也隨之增加。所以這個材料開始得到廣泛關注，他關注了才有應用，應用的話才有一些問題，然后才開始做一些相關研究。

中國粉體網：傅教授，我們在陶瓷基板技術上的發展現狀如何？應該從哪些方面來提高相關的技術水平？

傅教授：我通過參加我們粉體網組織的相關會議，還有參與其他的一些跟電子封裝相關的一些學術會，還有一些產業會，已經很欣喜的看到我們國家已經從國家層面上開始布局。我們國家從工信部、科技部，還有各個其他相關的部門都在布局相關的產業及科學研究。包括新材料，特別是像氮化硅，過去在我們國家這個領域基本上是空白。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基板廠家，已經可以完全覆蓋目前我們的需求。從產品類別來看，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，我們已經基本上可以覆蓋整個產業鏈的需求了。

但是目前來講，我們還需要解決幾個關鍵點。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離先進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。當然，我們在裝備上面也有一定的突破，目前國內已經有企業包括以北方華創、湖南頂立為代表的做先進陶瓷基板燒結的企業，也能夠滿足國內企業的需求。可能他們自己也在不斷迭代，包括粉體廠家，包括基板廠家，甚至都包括下游的應用的廠家。因為在實際應用過程當中，陶瓷具有一些特殊的特性，包括金屬化技術，包括它與芯片的連接技術等，這些特殊的技術要求還依賴于這個上下游產業鏈的相互配合，然后去解決在實際應用過程當中存在的一些難點和痛點。

總的來講，從技術層面上來講，我們國內已經具備從陶瓷粉體生產到基板燒結，到實際封裝應用的整個制程。但是我們的水平可能還沒有達到國內的對先進制程的要求，也沒達到國際的最高水平。那么我認為這個領域會隨著企業、政府，還有我們客戶應用端的一個重視，其發展的加速度會很快。我估計在可預期的未來，很快就能達到國際先進水平。

中國粉體網：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給我們這個機會做分享。我們課題組從2000年開始，一直致力于先進陶瓷封裝的研究。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研究，包括后續還做微波介質陶瓷，還有一些跟LED相關的LED封裝。一方面，我們在做芯片在陶瓷上面進行封裝過程當中的一個電路，實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牢固而又不易被熔化的金屬薄膜，使其導電，隨后用焊接工藝與金屬引線或其他金屬導電層相連接而成為一體。在技術選擇上不管是用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，發現材料體系跟材料的適配性是非常關鍵的。有一些問題，我們在學校里著重解決的是一些關鍵的技術和科學問題，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構，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，怎么進行其信號的傳輸，電源的輸入等這方面的技術做了研究。

實際上，從我們課題組研究的內容來看，我們是基于產業的發展過程當中，針對陶瓷線路板有一個技術化的制程要求。另外在基于產業的需求基礎之上，我們又自己獨立的開發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；還有用傳統的化學電鍍方法來做高精細電路；基于陶瓷金屬化技術，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一起合作，把這些技術或者把這些成果能夠用到我們實際產品當中。

中國粉體網：好的，感謝傅教授今天接受我們的采訪，謝謝。

（中國粉體網編輯整理/空青）

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