一文了解陶瓷转接板

随着摩尔定律应用领域的延伸,基于氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)等材料的第三代半导体器件蓬勃发展,并在 5G 通信、新能源汽车、微波射频等领域发挥着重要作用。第三代半导体芯片可以提供更高的击穿电压、更快的开关速度、更低的导通电阻、更高的工作温度,因此对封装提出了集成度更高、信号传输更迅速、耐热性更高、散热更高效等严苛要求。当前,先进封装技术被认为是提高器件性能的有效解决方案,成为加快电互连速度、提高芯片集成度及系统性能优化的重要保障。
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图 三维异质集成及互连结构,来源:《芯片三维互连技术及异质集成研究进展》,钟毅,等
三维系统级封装技术(3D system in package,3D-SiP)是先进封装技术发展的重要方向,其突破了二维平面封装技术的制约,通过芯片堆叠和立体互连,大幅度提升封装密度和效率。完整的三维系统级封装技术需要解决多种材料基板的异质集成,并以垂直互连(through X via,TXV)作为实现基板叠层间机械连接与电互连的关键结构。垂直互连技术通过在封装基板中开孔并在内部填充导体,从而实现基板上下表面垂直互连,缩短引线距离,减少寄生电容和信号延迟。艾邦建有陶瓷封装全产业链微信群,欢迎陶瓷封装产业链上下游加入,请您识别二维码加入。

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1. 什么是转接板

转接板作为一种封装基板,是垂直互连技术的重要载体,其主要作用是实现不同线宽基板间的互连,解决芯片输入/输出(I/O)与有机基板输入/输出间的尺寸失配问题,以促进多芯片、多功能模块集成,提高封装器件信号稳定性和整体可靠性,推动系统异质集成和高密度互连长足发展。
根据材料不同,转接板可进一步分为高分子转接板、硅转接板、玻璃转接板和陶瓷转接板等。
1)高分子转接板
高分子转接板(又称多层印刷电路板(PCB))兴起于1960年代中期,具有较低的介电常数、优良的耐吸湿性和较低密度,虽然其制备工艺成熟,成本较低,但是由于高分子材料热导率低,且与芯片材料间存在较大的热失配,因此很难平衡封装力学、热学和电气性能,仅能满足对导热性要求不高的信号传输,多用于消费电子领域。
2)硅转接板
硅转接板由William Shockley于1958年首次提出,现已广泛应用于三维封装互连中。但是硅转接板加工成本高、损耗大且厚度小,对电流和芯片功率的承载能力有限,无法满足功率器件集成需求。此外,硅转接板在电子系统中存在漏电流、信号耦合与串扰等问题,其电容值随孔径增加而增大,降低了转接板的射频性能;因此,硅转接板主要应用于小电流、低功率器件,包括互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)成像传感器、光电集成、惯性传感、射频和异构集成微系统等。
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图源DOI: 10.1109/TEMC.2015.2408262
3)玻璃转接板
玻璃转接板是一种新兴技术,主要加工工艺沿袭硅转接板.玻璃材料具有热膨胀系数可调、介电常数小、表面平整度好、电阻率高、透明度高、加工成本低等优点。然而玻璃为硬脆材料,且玻璃与铜材料间热失配严重,增大了加工难度,孔内和边缘易出现裂纹等缺陷;高温下易翘曲和开裂,可能引发特定谐振频率下的电信号损失和漏电流现象;因此,玻璃转接板主要用于集成无源器件、高性能计算、集成天线、射频器件封装等领域。
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图 玻璃基三维异质集成结构,来源:《芯片三维互连技术及异质集成研究进展》,钟毅,等
4)陶瓷转接板
陶瓷转接板为含有表面布线层(redistribution layer,RDL)和垂直互连通孔结构的陶瓷基板,具有导热/耐热性好、图形精度高和可垂直互连等技术优势,满足了功率半导体器件小型化、集成化、高可靠封装需求,为功率器件三维封装提供了一种低成本、高性能解决方案,材料、结构和技术优势明显,在半导体照明(白光发光二极管)、杀菌消毒(深紫外发光二极管)、激光与光通信、电力电子、高温传感、热电制冷、微波射频等领域得到广泛应用。
图源:武汉利之达

2. 陶瓷转接板的优势

1)优良导热性,氮化铝陶瓷热导率为260 W/(m⋅K),氧化铍陶瓷热导率为310 W/(m⋅K),碳化硅单晶热导率为490 W/(m⋅K),远高于玻璃(2.5 W/(m⋅K))和硅(150 W/(m⋅K)),良好的导热性能可避免转接板受热破坏;
2)高耐热性,陶瓷具有极高的热稳定性(800~1500℃),不会因为温度变化产生变形或失效,满足功率器件的高温应用需求;
3)热膨胀系数(coefficient of thermal expansion,CTE)匹配,硅材料为2.6×10-6/℃,玻璃材料为(20×10-6~54×10-6)/℃,而氮化铝陶瓷材料为4.4×10-6/℃,碳化硅陶瓷材料为4.0×10-6/℃,与硅材料基本相当,可降低热应力,提高可靠性;
4)高绝缘性,陶瓷材料电阻率通常>1×1015Ω⋅cm,与玻璃相近,远高于硅(1×103~1×104) Ω⋅cm,满足器件封装绝缘需求;
5)优良高频特性,陶瓷本身为绝缘材料,损耗因子远小于玻璃和硅,可显著降低寄生效应和信号传输损耗,满足高频应用需求;
6)优良机械性能,陶瓷材料常温下无塑性变形,抗压强度大,弹性模量是玻璃材料的5~7倍,硅材料的3~5倍,适应器件加工及封装工艺的强度要求;
7)信号完整性好,陶瓷转接板内壁无需沉积绝缘层,无寄生电感和电容效应;
8)表面布线层采用曝光、显影、图形电镀铜等工艺制备,图形精度高(可低于50 μm),图形厚度范围大(一般为0.01~0.10 mm),可满足大电流应用需求;
9)陶瓷材料绝缘性好,通孔内无须制备绝缘层和阻挡层;
10)通孔直径一般为50~120 μm,且为实心铜柱(无缺陷),提高了陶瓷转接板的载流和导热能力;
11)采用激光打孔,速度可达100 mm/s,加工效率远高于硅转接板和玻璃转接板(激光改性+化学腐蚀);
12)无需减薄工艺,陶瓷转接板以通孔为主,只需一次激光打孔即可成孔;
13)无须制备绝缘层和阻挡层,工艺流程大大简化。
在陶瓷转接板实现高效散热的同时,其内部的通孔结构成为功率器件三维集成的最佳解决方案。陶瓷是目前高频、高功率器件封装中最常用的转接板材料,受到国内外广泛关注。

3. 陶瓷转接板的制备

1)高/低温共烧陶瓷技术(HTCC/LTCC)
陶瓷转接板技术最早由高/低温共烧陶瓷基板实现,主要制备工艺流程为:先采用流延工艺制备生瓷片,随后在生瓷片上打孔,并向通孔中填入导电浆料,再丝网印刷电路图形,最后将多层生瓷片对位层压后高温烧结成型。为保证高/低温共烧陶瓷基板内部垂直互连通孔的导通率,通常采用印刷和注入两种方法进行通孔填充。其中印刷填孔主要采用丝网和钢网印刷,适用于孔径较大(0.1~0.3 mm)的通孔,这也是目前高/低温共烧陶瓷基板内通孔直径的常用范围;注入填孔则通过气压将金属浆料挤压进孔,有助于将通孔内空气排出干净并填满浆料,更适合直径为0.05~0.10 mm的通孔。

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图源Hitachi
然而,由于高/低温共烧陶瓷基板的通孔内金属、印刷金属导线和陶瓷基体本身存在较大的热膨胀系数差,导致基板内部残留应力较大,因此会在应力释放过程中形成对位偏差,降低高/低温共烧陶瓷基板的加工精度。
2)直接电镀铜陶瓷( DPC )
另一种以激光打孔、电镀填孔制备含通孔结构的陶瓷转接板为直接电镀铜陶瓷基板,制备工艺流程,主要包括:①激光打孔;②沉积种子层;③图形转移(贴膜、曝光、显影);④线路层电镀增厚与电镀填孔;⑤陶瓷覆铜板表面研磨;⑥去干膜、种子层和表面处理。
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与其他陶瓷基板相比,直接电镀铜陶瓷基板具有明显的技术优势:
①采用半导体微加工技术(曝光、显影、刻蚀等),金属线路层图形精度高(30~50 μm),满足器件小型化封装需求;
②采用激光打孔+电镀填孔技术实现垂直电互连,提高了器件集成度;
③金属线路层采用图形电镀工艺制备,厚度较大(10~1000 μm),提高了器件载流能力;
④制备工艺温度低(<300℃),材料(不同陶瓷基片)和工艺兼容性好。此外,直接电镀铜陶瓷基板还可进一步发展为三维直接电镀铜陶瓷基板,即通过多次图形电镀在平面直接电镀铜陶瓷基板表面,制备大厚度铜围坝结构(形成腔体),满足光电器件气密封装需求。
鉴于直接电镀铜陶瓷基板的良好技术优势,包括导热/耐热性好、图形精度高、材料和工艺兼容性好、载流能力强、采用激光打孔+电镀填孔技术制备通孔结构以提高器件集成度等,代表了陶瓷封装技术的新方向。近年来,直接电镀铜陶瓷基板技术和产业发展迅速,正逐步替代其他陶瓷基板,成为功率半导体和高温电子器件封装中应用最为广泛的陶瓷转接板,同时也是先进封装技术的一个重要组成部分。
来源:王卿,王莎鸥,彭洋等.陶瓷转接板制备技术与应用进展[J].华中科技大学学报(自然科学版),2024,52(12):1-20.
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推荐活动:2025年8月26-28日,第七届精密陶瓷暨功率半导体产业链展览会将于深圳举办!

The 7th Advanced ceramics and Power Semiconductor Industry Chain Exhibition

2025年8月26日-28日

深圳国际会展中心7号馆(宝安新馆)

The exhibition will cover 20,000 square meters, featuring 1,000 booths, over 500 exhibitors, and 50,000 professional visitors. It will gather enterprises from the IGBT/SiC power semiconductor industry chain, thermal management materials industry chain, as well as upstream and downstream companies in the precision ceramics, electronic ceramics, ceramic substrates, thin-film/thick-film ceramic circuit boards, ceramic packaging tubes and shells, and LTCC/HTCC/MLCC processing industry chains!

一、精密陶瓷产业链:

 

 

1、陶瓷器件及材料:MLCC、LTCC、HTCC、微波介质陶瓷、压电陶瓷、钛酸钡、碳酸钡、氧化钛、氧化铝、氧化锆、玻璃粉、氮化铝、LTCC介质陶瓷粉体、稀土氧化物、生瓷带等;

 

2、精密陶瓷:氧化锆、氧化铝、氮化铝、氮化硅、碳化硅、氧化钇、结构陶瓷、高温陶瓷、透明陶瓷、陶瓷微珠、新能源陶瓷、陶瓷轴承、陶瓷球、半导体陶瓷(搬运臂、陶瓷劈刀、静电卡盘、蚀刻环……)、3D打印陶瓷、燃料电池(SOFC)隔膜片、穿戴陶瓷、光纤陶瓷插芯、陶瓷套筒、CIM、生物陶瓷等。

 

3、陶瓷基板及封装外壳:陶瓷封装外壳、DPC、DBC、AMB、HTCC基板、LTCC基板、薄膜电路板、厚膜电路板、陶瓷封装基座、热沉、氧化铝、氮化铝、氮化硅、氧化铍、莫来石粉体及基板等;

 

4、金属材料:银粉、金粉、铜粉、镍粉、焊料(焊片、焊膏)、MLCC用内/外电极浆料、LTCC银浆、金浆、钨钼浆料、铜浆、靶材、无氧铜带、可伐合金、金属冲压件等;

 

5、助剂:陶瓷和导电浆料用分散剂、黏合剂、增塑剂、絮凝剂、矿化剂、消泡剂、润滑剂、烧结助剂等;

 

6、设备:

 

Ceramic processing equipment: sand mill, ball mill, vacuum degassing machine, three-roller machine, spray granulator, dry press, cast film machine, injection molding machine, 3D printer, mold, drying equipment, grinder, engraving machine, cutting machine, laser equipment, punching machine, hole filling machine, screen printing machine, laminating machine, laminating machine, isostatic press, hot cutting machine, leveling machine, debinding furnace, sintering furnace, brazing equipment, electroplating equipment, chemical plating, silver spraying machine, silver immersion machine, silver end machine, vacuum coating equipment, developing equipment, film removal equipment, etching machine, wet process equipment, plasma cleaning, ultrasonic cleaning, automation equipment, peel strength tester, AOI testing equipment, marking machine;

 

Packaging and testing equipment: chip mounter, wire bonding machine, capping machine, parallel seam welding capping machine, rib cutting machine, soldering equipment, laser resistance trimming machine, network analyzer, thermal cycle test equipment, thickness gauge, helium leak detector, aging equipment, appearance inspection, ultrasonic scanning microscope, X-ray inspection, laser marking, sorting equipment, package taping machine, etc.

 

7、耗材:离型膜、载带(塑料和纸质)、耐火材料、承烧板/匣钵(氧化铝、刚玉莫来石、氮化硼等)、承烧网、发泡胶、研磨耗材(金刚石微粉、研磨液)、精密网版、清洗剂、电镀药水等。

 

二、热管理产业链:

 

1、热管理材料:氧化铝、氮化铝、氮化硼、石墨烯、石墨、碳纳米管、空心玻璃微珠、导热粉体、散热基板、热沉(钨铜、钼铜、氮化铝、金刚石等)、铝碳化硅AlSiC、相变材料、导热凝胶、导热界面材料、导热垫片、导热胶带、灌封胶、热管/均热板;

 

2、散热器件:半导体制冷片(TEC)、IGBT散热器(铜、铝)、大功率晶体管散热器、通信基站散热壳体、液态金属散热器、插针式散热器等;

 

3、设备:压延机、涂布机、分条机、模切机、复卷机、切片机,CNC设备、压铸/冲压设备、热分析仪器、激光导热仪、导热系数仪、强度试验机、检测设备、自动化等。

 

三、功率半导体器件封装产业链:

 

1、材料:碳化硅,陶瓷衬板(DBC、AMB)、封装管壳、键合丝、散热基板(铜、铝碳化硅AlSiC)、导热硅凝胶、环氧灌封胶、焊料(预制焊片)、银膜/银膏、散热器(铜、铝)、功率引出端子(铜端子)、外壳(工程塑料PPS、PBT、高温尼龙)、清洗剂等;

2、设备及配件:真空焊接炉、贴片机、固晶机、引线键合机、X-ray、推拉力测试机、等离子清洗设备、点胶机、丝网印刷机、超声波扫描设备、动静态测试机、点/灌胶机、银烧结设备、垂直固化炉、甲酸真空共晶炉、自动封盖设备、高速插针机、弯折设备、超声波焊接机、视觉检测设备、推拉力测试机、高低温冲击设备、功率循环测试设备、打标机、检验平台、治具等;

 

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展会预定:

 

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原文始发于微信公众号(艾邦陶瓷展):一文了解陶瓷转接板

先进封装设备类似前道晶圆制造设备,供应商受益先进封测产业增长。随着先进封装的发展,Bumping(凸块)、Flip(倒装) 、TSV 和 RDL(重布线)等新的连接形式所需要用到的设备也越先进。以长球凸点为例,主要的工艺流程为预清洗、UBM、淀积、光刻、焊料 电镀、去胶、刻蚀、清洗、检测等,因此所需要的设备包括清洗机、PVD 设备、光刻机、 刻蚀机、电镀设备、清洗机等,材料需要包括光刻胶、显影剂、刻蚀液、清洗液等。为促进行业发展,互通有无,欢迎芯片设计、晶圆制造、装备、材料等产业链上下游加入艾邦半导体先进封装产业链交流群。
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