中國粉體網(wǎng)訊 隨著功率器件特別是第三代半導(dǎo)體的崛起與應(yīng)用，半導(dǎo)體器件逐漸向大功率、小型化、集成化、多功能等方向發(fā)展，對封裝基板性能也提出了更高要求。陶瓷基板具有熱導(dǎo)率高、耐熱性好、熱膨脹系數(shù)低、機械強度高、絕緣性好、耐腐蝕、抗輻射等特點，在電子器件封裝中得到廣泛應(yīng)用。在剛剛召開的2020第三屆新型陶瓷技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇上，中國粉體網(wǎng)記者就電子封裝中的陶瓷材料與封裝技術(shù)等問題現(xiàn)場專訪了南京航空航天大學(xué)的傅仁利教授。
傅仁利教授在第三屆新型陶瓷技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇上演講
中國粉體網(wǎng)記者：傅教授，首先向您請教微電子的封裝與芯片這兩者之間的關(guān)系是什么？
傅教授：對于公眾來講，對于芯片以及器件可能不是很了解。芯片它是在硅晶圓上通過很復(fù)雜的工藝做成的有源二極管或者三極管。它要運用互通互聯(lián)與外部進行有效的連接和信息的輸入輸出，這樣必然會涉及到載體，這些載體通常被我們稱之為基片或基板。
對于芯片來講，它有如下幾個作用：首先是信號的輸入輸出，還有空間的轉(zhuǎn)換，隨著半導(dǎo)體芯片的尺寸越來越小，它的信號電極之間的距離越來越窄、越來越小，必須要用到更大的基片起到放大的功能，把電極間的空間進行放大，還有對外界環(huán)境的屏蔽和保護。如果把芯片比喻成主角，基片就是搭舞臺的，讓它來發(fā)揮功能的這樣一個重要的組成部分。兩者是相輔相成、缺一不可的。特別是現(xiàn)在隨著芯片的尺寸越來越小，封裝也趨于芯片尺寸的封裝（也就是SOC封裝）。這樣對材料的要求就越來越高。
中國粉體網(wǎng)記者：微電子封裝對于陶瓷材料有哪些要求？
傅教授：從功能上來講，它要滿足使用性能上的要求，比如：信號和電源的輸入輸出、芯片保護等，有力學(xué)性能、電學(xué)性能、熱學(xué)性能方面的要求，還有可靠性方面的要求，等等。實現(xiàn)這些功能的單一材料很少，從這些指標(biāo)來看，我們所使用的陶瓷多數(shù)都是相關(guān)的，比如：氧化鋁、氮化鋁、氮化硅�，F(xiàn)在之所以在發(fā)展這些材料，就是因為芯片的工作電壓、使用溫度、使用頻率都在逐漸增加。傳統(tǒng)的材料已經(jīng)不能夠滿足要求了，而陶瓷材料的性能優(yōu)勢就逐漸顯露出來。
它存在的問題也是比較明顯的，就是價格。由于過去沒有批量規(guī)模化生產(chǎn)，它的價格比較高，有些產(chǎn)品對成本比較敏感就很難應(yīng)用它�，F(xiàn)在隨著產(chǎn)業(yè)逐漸構(gòu)建起來，比如在這次新型陶瓷會議上，有很多企業(yè)圍繞著陶瓷粉體、基板到金屬化、封裝都在努力，使整個行業(yè)朝著良性方向發(fā)展。成本在逐漸下降，也促進了它的應(yīng)用。
中國粉體網(wǎng)記者：微電子封裝用陶瓷材料主要有哪些？它們各自的特點是什么？比較有應(yīng)用前景的陶瓷材料是哪種？
傅教授：這也是產(chǎn)業(yè)界比較關(guān)注的事情。最經(jīng)典的就是氧化鋁。需要滿足上述的那些力學(xué)、化學(xué)、電學(xué)性能，首先就是高絕緣，還有高導(dǎo)熱、良好的化學(xué)穩(wěn)定性，等。高導(dǎo)熱的，有氮化鋁、氮化硅、氧化鈹，高絕緣的，有氧化鋁、氧化硅。比較傳統(tǒng)的有氧化硅（比如石英）、氧化鋁陶瓷基板，占的比重比較多。
現(xiàn)在，隨著功率器件的工作頻率在增加，它的工作溫度、工作電壓升高，氮化鋁和氮化硅成了第三代半導(dǎo)體明星材料，就是針對5G或者功率半導(dǎo)體器件的明星材料。有句俗語叫“春江水暖鴨先知”，從參加本屆新型陶瓷會議的企業(yè)家們可以看出來，他們已經(jīng)在密切關(guān)注氮化鋁、氮化硅了。企業(yè)關(guān)注的，就是未來發(fā)展的方向。
中國粉體網(wǎng)記者：微電子封裝用陶瓷材料的制備技術(shù)難點在哪里？如何解決？
傅教授：由于面臨三個要求：高頻、高壓、高工作溫度，對半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性、絕緣性、高頻性能要求極高，這樣對于材料的純度要求就提高了不只一個數(shù)量級。今天有一位專家的報告中也提到，微量的氧在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)陶瓷中沒有什么影響，但是如果做基板的話，它的影響極大，微量氧對陶瓷的熱學(xué)性能、甚至力學(xué)性能都有非常大的影響。這是純度的問題。還有粒度的問題，因為基板要做得輕、薄，就必須對粒度進行控制，對粒度分布進行控制，甚至還有晶型的控制。特別是工業(yè)化批量生產(chǎn)中，控制這些就有很大的難度，需要有若干個技術(shù)訣竅的突破，不斷地技術(shù)積累才有可能解決這些難題。
除了粉體，還有燒結(jié)，由于氮化物本身難燒結(jié)，為了促進它們燒結(jié)，一般需要添加燒結(jié)助劑，加什么、加多少都是制約難題。如果不加，燒結(jié)很難成型；加多了，會影響導(dǎo)熱性。這是燒結(jié)工藝、燒結(jié)裝備的難題。
第三個難題就是金屬化，金屬化存在一個良率的問題，比如：大尺寸、翹曲度、缺陷、表面晶粒粒度的變化等其它因素，只有滿足客戶的全部要求才算是合格品。我們生產(chǎn)過程中如果不解決良率的問題，企業(yè)就沒辦法賺錢。這涉及到管理、控制、配合，不僅有粉體的問題，還有金屬銅箔的問題，銅箔也要提高。
還有一個難題就是下游客戶的接受度。因為有些是在極端環(huán)境下，比如高鐵中用到的大量的電子器件，不允許出現(xiàn)故障的，必須要經(jīng)過驗證，應(yīng)用環(huán)節(jié)中的驗證問題也需要突破。
我個人覺得，這需要全產(chǎn)業(yè)的協(xié)作，不是一個人單打獨斗，而是要上下游企業(yè)目標(biāo)一致、各自解決各自的問題，才可能共同解決陶瓷材料的問題。我個人認(rèn)為，我們的企業(yè)之間缺乏協(xié)作是阻礙技術(shù)發(fā)展的一大瓶頸。這次的新型陶瓷會議，讓我感到高興的是，企業(yè)界在分享他們的研究心得，包括粉體、陶瓷、裝備技術(shù)等方面。
中國粉體網(wǎng)記者：我國在微電子封裝用陶瓷材料及封裝技術(shù)上的發(fā)展現(xiàn)狀是怎樣的？需要從哪些方面入手去提高相關(guān)技術(shù)水平？
傅教授：目前比較緊迫的就是要提高粉體的品質(zhì)。下游產(chǎn)業(yè)如果目前介入還是有難度的，比如高鐵行業(yè)，如果我們的技術(shù)不成熟，是不可能導(dǎo)入的。所以，我們需要從粉體開始解決，首先把粉體與陶瓷的關(guān)系協(xié)調(diào)，之后是陶瓷與金屬化的關(guān)系協(xié)調(diào)，然后一步一步地往前推進。
涉及到的產(chǎn)學(xué)研問題，有一個沒搞清楚的問題就是粉體究竟多大尺寸合適，因為它是要流延成型的，還有超薄的、大尺寸的，需要什么樣的合適的粒度分布和形態(tài)，能保證它的成型性能。這里面涉及到很多粉體的問題。這就需要產(chǎn)學(xué)研的協(xié)作，需要科研界的研究支持。然后，企業(yè)界、技術(shù)人員可以圍繞相關(guān)問題開發(fā)工藝裝備和相應(yīng)的工藝過程。各司其職，共同發(fā)力。感謝粉體網(wǎng)舉辦的這次會議，聽了幾場報告對我啟發(fā)很大，拉近了企業(yè)界與學(xué)術(shù)界的距離。
附：專家簡介
傅仁利，南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授，長期從事材料科學(xué)與工程的教學(xué)與研究工作，在氧化鋁陶瓷基板，白光LED新型熒光材料及光譜調(diào)控、氮化鋁陶瓷粉末自蔓延燃燒合成、功率電子器件用基板材料和散熱技術(shù)以及電子封裝用高性能復(fù)合模塑料等方面進行了比較深入的研究工作，獲得省部級科技進步獎兩項，授權(quán)國家發(fā)明專利8項，實用新型專利1項。發(fā)表學(xué)術(shù)論文80余篇。擔(dān)任《復(fù)合材料學(xué)報》和《Materials and Design》通訊編委。
（中國粉體網(wǎng)記者采訪/黑金，編輯整理/平安）
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