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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第七届精密陶瓷暨功率半导体产业链展览会

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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:

 

陶瓷加工设备:砂磨机、球磨机、真空脱泡机、三辊机、喷雾造粒机、干压机、流延机、注塑机、3D打印机、模具、干燥设备、研磨机、精雕机、裁片机、激光设备、打孔机、填孔机、丝网印刷机、叠层机、层压机、等静压机、热切机、整平机、排胶炉、烧结炉、钎焊设备、电镀设备、化学镀、喷银机、浸银机、端银机、真空镀膜设备、显影设备、去膜设备、蚀刻机、湿制程设备、等离子清洗、超声波清洗、自动化设备、剥离强度测试仪、AOI检测设备、打标机;

 

封装测试设备:贴片机、引线键合机、封盖机、平行缝焊封帽、切筋机、钎焊设备、激光调阻机、网络分析仪、热循环测试设备、测厚仪、氦气检漏仪、老化设备、外观检测、超声波扫描显微镜、X-光检测、激光打标、分选设备、测包编带机等;

 

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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原文始发于微信公众号(艾邦陶瓷展):一文了解陶瓷转接板

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作者 gan, lanjie