HTCC：半導(dǎo)體封裝的理想方式

半導(dǎo)體集成電路中封裝是必不可少的環(huán)節(jié)，封裝可以理解為給芯片穿上“衣服”，保護(hù)芯片免受物理、化學(xué)等環(huán)境因素造成的損傷，增強(qiáng)芯片的散熱性能。芯片封裝在選擇上，更傾向于陶瓷封裝，HTCC陶瓷封裝是其中一種。同時(shí)，HTCC陶瓷也是電子陶瓷封裝領(lǐng)域重要的分支。

關(guān)于HTCC

HTCC又稱為高溫共燒多層陶瓷，是指在1450℃以上與熔點(diǎn)較高的金屬一并燒結(jié)的具有電氣互連特性的陶瓷。HTCC一般在900℃以下先進(jìn)行排膠處理，然后再到更高的1500-1800℃高溫環(huán)境中將多層疊壓的瓷片共燒成一體。HTCC電路工藝采用絲網(wǎng)印刷制作，所選的導(dǎo)體材料一般為熔點(diǎn)較高的鎢、鉬、錳等金屬或貴金屬。

高溫共燒陶瓷流程圖

HTCC具有耐腐蝕、耐高溫、壽命長(zhǎng)、高效節(jié)能、溫度均勻、導(dǎo)熱性能良好、熱補(bǔ)償速度快等優(yōu)點(diǎn)。因其燒結(jié)溫度高，HTCC不能采用金、銀、銅等低熔點(diǎn)金屬材料，必須采用鎢、鉬、錳等難熔金屬材料，這些材料電導(dǎo)率低，會(huì)造成信號(hào)延遲等缺陷，所以不適合做高速或高頻微組裝電路的基板。但是，由于HTCC基板具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率高、化學(xué)穩(wěn)定性好和布線密度高等優(yōu)點(diǎn)，因此在大功率微組裝電路中具有廣泛的應(yīng)用前景。

HTCC的分類

常用的高溫共燒多層陶瓷體系有Al2O3、AlN、莫來(lái)石等陶瓷材料。

氧化鋁（Al2O3）

氧化鋁具有成本低、機(jī)械強(qiáng)度好，絕緣性好等優(yōu)點(diǎn)，是目前HTCC產(chǎn)品市場(chǎng)的主力軍。氧化鋁陶瓷技術(shù)是一種比較成熟的微電子封裝技術(shù)，該基板介質(zhì)材料成本低，熱導(dǎo)率和抗彎強(qiáng)度高。此外，半導(dǎo)體集成電路通常具有明顯的光敏性，基于HTCC工藝制備的Al2O3黑瓷，不僅具有遮光性，能實(shí)現(xiàn)在厚膜金屬化電路等領(lǐng)域的應(yīng)用，還具有工藝簡(jiǎn)單、節(jié)省成本等優(yōu)點(diǎn)，在成本控制和簡(jiǎn)化工藝等方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。

氮化鋁（AlN）

氮化鋁（AlN）陶瓷具有高熱導(dǎo)率、低介電常數(shù)、高強(qiáng)度、高硬度、無(wú)毒性、熱膨脹系數(shù)與Si相近等良好的物理性能，且具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性能，采用AlN作為介質(zhì)隔離材料制備的AlN多層布線共燒基板，是大功率模塊、大規(guī)模集成電路的理想散熱和封裝材料。

莫來(lái)石

莫來(lái)石的介電常數(shù)為7.3-7.5，而氧化鋁(96%)的介電常數(shù)為9.4，高于莫來(lái)石，所以莫來(lái)石的信號(hào)傳輸延遲時(shí)間比氧化鋁小17%左右。并且，莫來(lái)石的熱膨脹系數(shù)與硅很接近，所以這種基板材料得到了快速發(fā)展。

例如日立、Shinko等公司均開(kāi)發(fā)了莫來(lái)石多層陶瓷基板，并且其產(chǎn)品具有良好的性能指標(biāo)。不過(guò)此基板的布線導(dǎo)體只能采用鎢、鎳、鉬等材料，電阻率較大而且熱導(dǎo)率低于氧化鋁基板。

HTCC陶瓷的應(yīng)用

在HTCC的應(yīng)用領(lǐng)域中，從產(chǎn)品分類方面來(lái)看，HTCC封裝管殼占有重要地位，占有大約77%的市場(chǎng)份額，之后是HTCC封裝基座，大概占比17.5%。同時(shí)就應(yīng)用來(lái)看，通信封裝是第一大市場(chǎng)，占有大約32%的市場(chǎng)份額。

HTCC陶瓷封裝管殼

HTCC陶瓷管殼主要應(yīng)用在光通信、圖像傳感器、紅外線/紫外線傳感器、無(wú)線功率器件、工業(yè)激光器、固體繼電器、光耦器件、微波器件、霍爾器件、電源、MEMS等封裝，滿足這些電子器件能在耐惡劣環(huán)境下的使用可靠性。在材料方面，通常選擇Al2O3和AlN。

HTCC陶瓷基板

HTCC多層基板具有機(jī)械強(qiáng)度較高、導(dǎo)熱系數(shù)較高、材料成本較低、化學(xué)性能穩(wěn)定、布線密度高等特點(diǎn)，HTCC基板已被廣泛應(yīng)用于高可靠性微電子集成電路、大功率微組裝電路、車載大功率電路等產(chǎn)品領(lǐng)域。其中，AlN HTCC多層基板材料熱導(dǎo)率高達(dá)（170~190）W/（m·K），熱膨脹系數(shù)僅為4.2×10-6/°C，與硅（Si）、砷化鎵（GaAs）及氮化鎵（GaN）等半導(dǎo)體材料器件接近；力學(xué)強(qiáng)度高、致密性好，能夠滿足封裝氣密性要求，是高功率MCM首選的基板材料和封裝材料。

HTCC市場(chǎng)發(fā)展迅猛

如今，HTCC技術(shù)受到下游大功率集成電路以及芯片等產(chǎn)品的更新?lián)Q代所影響，市場(chǎng)需求較高。根據(jù)YH Research的數(shù)據(jù)，2021年全球HTCC陶瓷封裝市場(chǎng)銷售額達(dá)到180億元人民幣，預(yù)計(jì)2028年將達(dá)到293億元人民幣，年復(fù)合增長(zhǎng)率為6.75%（2022-2028）。

但HTCC技術(shù)壁壘極高，全球陶瓷封裝市場(chǎng)集中?？v觀全球電子陶瓷市場(chǎng)，2019年數(shù)據(jù)顯示日本占據(jù)近一半的市場(chǎng)份額，約為49.8%，美國(guó)和歐洲分別占據(jù)約30.4%和10.2%。

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)HTCC陶瓷真正實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的企業(yè)并不多，主要有中電科13所、中瓷電子、佳麗電子等企業(yè)。預(yù)計(jì)未來(lái)幾年，得益于國(guó)內(nèi)活躍的市場(chǎng)環(huán)境和強(qiáng)大的需求，中國(guó)地區(qū)將保持快速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2028年中國(guó)市場(chǎng)產(chǎn)值份額將達(dá)到32%。在未來(lái)，HTCC封裝技術(shù)將極大地促進(jìn)電子元器件的使用可靠度。

審核編輯：劉清