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一文了解陶瓷轉(zhuǎn)接板

隨著摩爾定律應(yīng)用領(lǐng)域的延伸,基于氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)等材料的第三代半導(dǎo)體器件蓬勃發(fā)展,并在 5G 通信、新能源汽車、微波射頻等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。第三代半導(dǎo)體芯片可以提供更高的擊穿電壓、更快的開關(guān)速度、更低的導(dǎo)通電阻、更高的工作溫度,因此對封裝提出了集成度更高、信號傳輸更迅速、耐熱性更高、散熱更高效等嚴(yán)苛要求。當(dāng)前,先進(jìn)封裝技術(shù)被認(rèn)為是提高器件性能的有效解決方案,成為加快電互連速度、提高芯片集成度及系統(tǒng)性能優(yōu)化的重要保障。
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圖 三維異質(zhì)集成及互連結(jié)構(gòu),來源:《芯片三維互連技術(shù)及異質(zhì)集成研究進(jìn)展》,鐘毅,等
三維系統(tǒng)級封裝技術(shù)(3D system in package,3D-SiP)是先進(jìn)封裝技術(shù)發(fā)展的重要方向,其突破了二維平面封裝技術(shù)的制約,通過芯片堆疊和立體互連,大幅度提升封裝密度和效率。完整的三維系統(tǒng)級封裝技術(shù)需要解決多種材料基板的異質(zhì)集成,并以垂直互連(through X via,TXV)作為實(shí)現(xiàn)基板疊層間機(jī)械連接與電互連的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。垂直互連技術(shù)通過在封裝基板中開孔并在內(nèi)部填充導(dǎo)體,從而實(shí)現(xiàn)基板上下表面垂直互連,縮短引線距離,減少寄生電容和信號延遲。艾邦建有陶瓷封裝全產(chǎn)業(yè)鏈微信群,歡迎陶瓷封裝產(chǎn)業(yè)鏈上下游加入,請您識別二維碼加入。

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1. 什么是轉(zhuǎn)接板

轉(zhuǎn)接板作為一種封裝基板,是垂直互連技術(shù)的重要載體,其主要作用是實(shí)現(xiàn)不同線寬基板間的互連,解決芯片輸入/輸出(I/O)與有機(jī)基板輸入/輸出間的尺寸失配問題,以促進(jìn)多芯片、多功能模塊集成,提高封裝器件信號穩(wěn)定性和整體可靠性,推動系統(tǒng)異質(zhì)集成和高密度互連長足發(fā)展。
根據(jù)材料不同,轉(zhuǎn)接板可進(jìn)一步分為高分子轉(zhuǎn)接板、硅轉(zhuǎn)接板、玻璃轉(zhuǎn)接板和陶瓷轉(zhuǎn)接板等。
1)高分子轉(zhuǎn)接板
高分子轉(zhuǎn)接板(又稱多層印刷電路板(PCB))興起于1960年代中期,具有較低的介電常數(shù)、優(yōu)良的耐吸濕性和較低密度,雖然其制備工藝成熟,成本較低,但是由于高分子材料熱導(dǎo)率低,且與芯片材料間存在較大的熱失配,因此很難平衡封裝力學(xué)、熱學(xué)和電氣性能,僅能滿足對導(dǎo)熱性要求不高的信號傳輸,多用于消費(fèi)電子領(lǐng)域。
2)硅轉(zhuǎn)接板
硅轉(zhuǎn)接板由William Shockley于1958年首次提出,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于三維封裝互連中。但是硅轉(zhuǎn)接板加工成本高、損耗大且厚度小,對電流和芯片功率的承載能力有限,無法滿足功率器件集成需求。此外,硅轉(zhuǎn)接板在電子系統(tǒng)中存在漏電流、信號耦合與串?dāng)_等問題,其電容值隨孔徑增加而增大,降低了轉(zhuǎn)接板的射頻性能;因此,硅轉(zhuǎn)接板主要應(yīng)用于小電流、低功率器件,包括互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)成像傳感器、光電集成、慣性傳感、射頻和異構(gòu)集成微系統(tǒng)等。
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圖源DOI: 10.1109/TEMC.2015.2408262
3)玻璃轉(zhuǎn)接板
玻璃轉(zhuǎn)接板是一種新興技術(shù),主要加工工藝沿襲硅轉(zhuǎn)接板.玻璃材料具有熱膨脹系數(shù)可調(diào)、介電常數(shù)小、表面平整度好、電阻率高、透明度高、加工成本低等優(yōu)點(diǎn)。然而玻璃為硬脆材料,且玻璃與銅材料間熱失配嚴(yán)重,增大了加工難度,孔內(nèi)和邊緣易出現(xiàn)裂紋等缺陷;高溫下易翹曲和開裂,可能引發(fā)特定諧振頻率下的電信號損失和漏電流現(xiàn)象;因此,玻璃轉(zhuǎn)接板主要用于集成無源器件、高性能計算、集成天線、射頻器件封裝等領(lǐng)域。
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圖 玻璃基三維異質(zhì)集成結(jié)構(gòu),來源:《芯片三維互連技術(shù)及異質(zhì)集成研究進(jìn)展》,鐘毅,等
4)陶瓷轉(zhuǎn)接板
陶瓷轉(zhuǎn)接板為含有表面布線層(redistribution layer,RDL)和垂直互連通孔結(jié)構(gòu)的陶瓷基板,具有導(dǎo)熱/耐熱性好、圖形精度高和可垂直互連等技術(shù)優(yōu)勢,滿足了功率半導(dǎo)體器件小型化、集成化、高可靠封裝需求,為功率器件三維封裝提供了一種低成本、高性能解決方案,材料、結(jié)構(gòu)和技術(shù)優(yōu)勢明顯,在半導(dǎo)體照明(白光發(fā)光二極管)、殺菌消毒(深紫外發(fā)光二極管)、激光與光通信、電力電子、高溫傳感、熱電制冷、微波射頻等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
圖源:武漢利之達(dá)

2. 陶瓷轉(zhuǎn)接板的優(yōu)勢

1)優(yōu)良導(dǎo)熱性,氮化鋁陶瓷熱導(dǎo)率為260 W/(m?K),氧化鈹陶瓷熱導(dǎo)率為310 W/(m?K),碳化硅單晶熱導(dǎo)率為490 W/(m?K),遠(yuǎn)高于玻璃(2.5 W/(m?K))和硅(150 W/(m?K)),良好的導(dǎo)熱性能可避免轉(zhuǎn)接板受熱破壞;
2)高耐熱性,陶瓷具有極高的熱穩(wěn)定性(800~1500℃),不會因?yàn)闇囟茸兓a(chǎn)生變形或失效,滿足功率器件的高溫應(yīng)用需求;
3)熱膨脹系數(shù)(coefficient of thermal expansion,CTE)匹配,硅材料為2.6×10-6/℃,玻璃材料為(20×10-6~54×10-6)/℃,而氮化鋁陶瓷材料為4.4×10-6/℃,碳化硅陶瓷材料為4.0×10-6/℃,與硅材料基本相當(dāng),可降低熱應(yīng)力,提高可靠性;
4)高絕緣性,陶瓷材料電阻率通常>1×1015Ω?cm,與玻璃相近,遠(yuǎn)高于硅(1×103~1×104) Ω?cm,滿足器件封裝絕緣需求;
5)優(yōu)良高頻特性,陶瓷本身為絕緣材料,損耗因子遠(yuǎn)小于玻璃和硅,可顯著降低寄生效應(yīng)和信號傳輸損耗,滿足高頻應(yīng)用需求;
6)優(yōu)良機(jī)械性能,陶瓷材料常溫下無塑性變形,抗壓強(qiáng)度大,彈性模量是玻璃材料的5~7倍,硅材料的3~5倍,適應(yīng)器件加工及封裝工藝的強(qiáng)度要求;
7)信號完整性好,陶瓷轉(zhuǎn)接板內(nèi)壁無需沉積絕緣層,無寄生電感和電容效應(yīng);
8)表面布線層采用曝光、顯影、圖形電鍍銅等工藝制備,圖形精度高(可低于50 μm),圖形厚度范圍大(一般為0.01~0.10 mm),可滿足大電流應(yīng)用需求;
9)陶瓷材料絕緣性好,通孔內(nèi)無須制備絕緣層和阻擋層;
10)通孔直徑一般為50~120 μm,且為實(shí)心銅柱(無缺陷),提高了陶瓷轉(zhuǎn)接板的載流和導(dǎo)熱能力;
11)采用激光打孔,速度可達(dá)100 mm/s,加工效率遠(yuǎn)高于硅轉(zhuǎn)接板和玻璃轉(zhuǎn)接板(激光改性+化學(xué)腐蝕);
12)無需減薄工藝,陶瓷轉(zhuǎn)接板以通孔為主,只需一次激光打孔即可成孔;
13)無須制備絕緣層和阻擋層,工藝流程大大簡化。
在陶瓷轉(zhuǎn)接板實(shí)現(xiàn)高效散熱的同時,其內(nèi)部的通孔結(jié)構(gòu)成為功率器件三維集成的最佳解決方案。陶瓷是目前高頻、高功率器件封裝中最常用的轉(zhuǎn)接板材料,受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注。

3. 陶瓷轉(zhuǎn)接板的制備

1)高/低溫共燒陶瓷技術(shù)(HTCC/LTCC)
陶瓷轉(zhuǎn)接板技術(shù)最早由高/低溫共燒陶瓷基板實(shí)現(xiàn),主要制備工藝流程為:先采用流延工藝制備生瓷片,隨后在生瓷片上打孔,并向通孔中填入導(dǎo)電漿料,再絲網(wǎng)印刷電路圖形,最后將多層生瓷片對位層壓后高溫?zé)Y(jié)成型。為保證高/低溫共燒陶瓷基板內(nèi)部垂直互連通孔的導(dǎo)通率,通常采用印刷和注入兩種方法進(jìn)行通孔填充。其中印刷填孔主要采用絲網(wǎng)和鋼網(wǎng)印刷,適用于孔徑較大(0.1~0.3 mm)的通孔,這也是目前高/低溫共燒陶瓷基板內(nèi)通孔直徑的常用范圍;注入填孔則通過氣壓將金屬漿料擠壓進(jìn)孔,有助于將通孔內(nèi)空氣排出干凈并填滿漿料,更適合直徑為0.05~0.10 mm的通孔。

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圖源Hitachi
然而,由于高/低溫共燒陶瓷基板的通孔內(nèi)金屬、印刷金屬導(dǎo)線和陶瓷基體本身存在較大的熱膨脹系數(shù)差,導(dǎo)致基板內(nèi)部殘留應(yīng)力較大,因此會在應(yīng)力釋放過程中形成對位偏差,降低高/低溫共燒陶瓷基板的加工精度。
2)直接電鍍銅陶瓷( DPC )
另一種以激光打孔、電鍍填孔制備含通孔結(jié)構(gòu)的陶瓷轉(zhuǎn)接板為直接電鍍銅陶瓷基板,制備工藝流程,主要包括:①激光打孔;②沉積種子層;③圖形轉(zhuǎn)移(貼膜、曝光、顯影);④線路層電鍍增厚與電鍍填孔;⑤陶瓷覆銅板表面研磨;⑥去干膜、種子層和表面處理。
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與其他陶瓷基板相比,直接電鍍銅陶瓷基板具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢:
①采用半導(dǎo)體微加工技術(shù)(曝光、顯影、刻蝕等),金屬線路層圖形精度高(30~50 μm),滿足器件小型化封裝需求;
②采用激光打孔+電鍍填孔技術(shù)實(shí)現(xiàn)垂直電互連,提高了器件集成度;
③金屬線路層采用圖形電鍍工藝制備,厚度較大(10~1000 μm),提高了器件載流能力;
④制備工藝溫度低(<300℃),材料(不同陶瓷基片)和工藝兼容性好。此外,直接電鍍銅陶瓷基板還可進(jìn)一步發(fā)展為三維直接電鍍銅陶瓷基板,即通過多次圖形電鍍在平面直接電鍍銅陶瓷基板表面,制備大厚度銅圍壩結(jié)構(gòu)(形成腔體),滿足光電器件氣密封裝需求。
鑒于直接電鍍銅陶瓷基板的良好技術(shù)優(yōu)勢,包括導(dǎo)熱/耐熱性好、圖形精度高、材料和工藝兼容性好、載流能力強(qiáng)、采用激光打孔+電鍍填孔技術(shù)制備通孔結(jié)構(gòu)以提高器件集成度等,代表了陶瓷封裝技術(shù)的新方向。近年來,直接電鍍銅陶瓷基板技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,正逐步替代其他陶瓷基板,成為功率半導(dǎo)體和高溫電子器件封裝中應(yīng)用最為廣泛的陶瓷轉(zhuǎn)接板,同時也是先進(jìn)封裝技術(shù)的一個重要組成部分。
來源:王卿,王莎鷗,彭洋等.陶瓷轉(zhuǎn)接板制備技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)展[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2024,52(12):1-20.
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第七屆精密陶瓷暨功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈展覽會

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展出2萬平米、1,000個攤位、500多家展商、50,000名專業(yè)觀眾;匯聚IGBT/SiC功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈;熱管理材料產(chǎn)業(yè)鏈,精密陶瓷、電子陶瓷、陶瓷基板、薄膜/厚膜陶瓷電路板、陶瓷封裝管殼、LTCC/HTCC/MLCC加工產(chǎn)業(yè)鏈等產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)!

一、精密陶瓷產(chǎn)業(yè)鏈:

 

 

1、陶瓷器件及材料:MLCC、LTCC、HTCC、微波介質(zhì)陶瓷、壓電陶瓷、鈦酸鋇、碳酸鋇、氧化鈦、氧化鋁、氧化鋯、玻璃粉、氮化鋁、LTCC介質(zhì)陶瓷粉體、稀土氧化物、生瓷帶等;

 

2、精密陶瓷:氧化鋯、氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、碳化硅、氧化釔、結(jié)構(gòu)陶瓷、高溫陶瓷、透明陶瓷、陶瓷微珠、新能源陶瓷、陶瓷軸承、陶瓷球、半導(dǎo)體陶瓷(搬運(yùn)臂、陶瓷劈刀、靜電卡盤、蝕刻環(huán)……)、3D打印陶瓷、燃料電池(SOFC)隔膜片、穿戴陶瓷、光纖陶瓷插芯、陶瓷套筒、CIM、生物陶瓷等。

 

3、陶瓷基板及封裝外殼:陶瓷封裝外殼、DPC、DBC、AMB、HTCC基板、LTCC基板、薄膜電路板、厚膜電路板、陶瓷封裝基座、熱沉、氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、氧化鈹、莫來石粉體及基板等;

 

4、金屬材料:銀粉、金粉、銅粉、鎳粉、焊料(焊片、焊膏)、MLCC用內(nèi)/外電極漿料、LTCC銀漿、金漿、鎢鉬漿料、銅漿、靶材、無氧銅帶、可伐合金、金屬沖壓件等;

 

5、助劑:陶瓷和導(dǎo)電漿料用分散劑、黏合劑、增塑劑、絮凝劑、礦化劑、消泡劑、潤滑劑、燒結(jié)助劑等;

 

6、設(shè)備:

 

陶瓷加工設(shè)備:砂磨機(jī)、球磨機(jī)、真空脫泡機(jī)、三輥機(jī)、噴霧造粒機(jī)、干壓機(jī)、流延機(jī)、注塑機(jī)、3D打印機(jī)、模具、干燥設(shè)備、研磨機(jī)、精雕機(jī)、裁片機(jī)、激光設(shè)備、打孔機(jī)、填孔機(jī)、絲網(wǎng)印刷機(jī)、疊層機(jī)、層壓機(jī)、等靜壓機(jī)、熱切機(jī)、整平機(jī)、排膠爐、燒結(jié)爐、釬焊設(shè)備、電鍍設(shè)備、化學(xué)鍍、噴銀機(jī)、浸銀機(jī)、端銀機(jī)、真空鍍膜設(shè)備、顯影設(shè)備、去膜設(shè)備、蝕刻機(jī)、濕制程設(shè)備、等離子清洗、超聲波清洗、自動化設(shè)備、剝離強(qiáng)度測試儀、AOI檢測設(shè)備、打標(biāo)機(jī);

 

封裝測試設(shè)備:貼片機(jī)、引線鍵合機(jī)、封蓋機(jī)、平行縫焊封帽、切筋機(jī)、釬焊設(shè)備、激光調(diào)阻機(jī)、網(wǎng)絡(luò)分析儀、熱循環(huán)測試設(shè)備、測厚儀、氦氣檢漏儀、老化設(shè)備、外觀檢測、超聲波掃描顯微鏡、X-光檢測、激光打標(biāo)、分選設(shè)備、測包編帶機(jī)等;

 

7、耗材:離型膜、載帶(塑料和紙質(zhì))、耐火材料、承燒板/匣缽(氧化鋁、剛玉莫來石、氮化硼等)、承燒網(wǎng)、發(fā)泡膠、研磨耗材(金剛石微粉、研磨液)、精密網(wǎng)版、清洗劑、電鍍藥水等。

 

二、熱管理產(chǎn)業(yè)鏈:

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1、熱管理材料:氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、石墨烯、石墨、碳納米管、空心玻璃微珠、導(dǎo)熱粉體、散熱基板、熱沉(鎢銅、鉬銅、氮化鋁、金剛石等)、鋁碳化硅AlSiC、相變材料、導(dǎo)熱凝膠、導(dǎo)熱界面材料、導(dǎo)熱墊片、導(dǎo)熱膠帶、灌封膠、熱管/均熱板;

 

2、散熱器件:半導(dǎo)體制冷片(TEC)、IGBT散熱器(銅、鋁)、大功率晶體管散熱器、通信基站散熱殼體、液態(tài)金屬散熱器、插針式散熱器等;

 

3、設(shè)備:壓延機(jī)、涂布機(jī)、分條機(jī)、模切機(jī)、復(fù)卷機(jī)、切片機(jī),CNC設(shè)備、壓鑄/沖壓設(shè)備、熱分析儀器、激光導(dǎo)熱儀、導(dǎo)熱系數(shù)儀、強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)、檢測設(shè)備、自動化等。

 

三、功率半導(dǎo)體器件封裝產(chǎn)業(yè)鏈:

 

1、材料:碳化硅,陶瓷襯板(DBC、AMB)、封裝管殼、鍵合絲、散熱基板(銅、鋁碳化硅AlSiC)、導(dǎo)熱硅凝膠、環(huán)氧灌封膠、焊料(預(yù)制焊片)、銀膜/銀膏、散熱器(銅、鋁)、功率引出端子(銅端子)、外殼(工程塑料PPS、PBT、高溫尼龍)、清洗劑等;

2、設(shè)備及配件:真空焊接爐、貼片機(jī)、固晶機(jī)、引線鍵合機(jī)、X-ray、推拉力測試機(jī)、等離子清洗設(shè)備、點(diǎn)膠機(jī)、絲網(wǎng)印刷機(jī)、超聲波掃描設(shè)備、動靜態(tài)測試機(jī)、點(diǎn)/灌膠機(jī)、銀燒結(jié)設(shè)備、垂直固化爐、甲酸真空共晶爐、自動封蓋設(shè)備、高速插針機(jī)、彎折設(shè)備、超聲波焊接機(jī)、視覺檢測設(shè)備、推拉力測試機(jī)、高低溫沖擊設(shè)備、功率循環(huán)測試設(shè)備、打標(biāo)機(jī)、檢驗(yàn)平臺、治具等;

 

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作者 gan, lanjie

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