摘要：随着5G时代的来临，万物互联已成为趋势，其中高集成度的微型芯片是实现这一变迁的重要基础。但是，用于芯片封装的聚合物材料的导热性能不佳，严重制约着集成化芯片的发展。随着芯片尺寸的减小，其能量密度呈指数化升高，所产生的热量在内部积聚，使得散热成为一大问题。通过结构设计，制备具有特殊结构的导热填料对聚合物进行填充是提高其导热性能的有效方法。本文了目前芯片行业在材料方面的市场份额、创新技术的分析，尤其在和新型的导热相关的芯片内部界面导热材料（ThermalInterfaceMaterial1，TIM1），底填材料（Underfill），基板材料（Substrate）的细分领域进行了详细的阐述与最新科技趋势。同时指出国产替代的重要性，和在芯片发展中目前最热点的材料技术与工艺。
关键词：芯片封装；导热材料；芯片内部界面导热材料；底填材料；基板材料；
01
引言:全球半导体材料和封装材料趋势
年全球半导体材料销售规模在亿美元，其中基体材料、制造材料、封装材料占比分别为2.4%、8.7%和28.0%。
图1?1年全球半导体销售规模占比[1]（单位：%）
欧美、日韩台等国家和地区是全球半导体巨头的主要所在地，根据世界半导体贸易统计（WorldSemiconductorTradeAssociation，WSTA）数据，年全球半导体市场规模约为47亿美元，中国半导体市场规模约为亿美元（占全球约28%），中国已经成为全球最大的半导体消费市场。中国在半导体消费市场上已经成为了世界第一，但是半导体产业中的市场占比却非常有限，全球前十大半导体企业中没有一家是来自中国。
半导体产业链国产化虽然是一个十分艰巨的任务，但是可以通过采取合适的策略，利用国内庞大的工程师红利，辅之合理的政策导向，国内半导体产业实现自主可控之路一定能够实现。例如，在上游设备、材料、设计等领域，在不同的细分赛道通过重点突破，则有望成功。在中游晶圆制造及下游封装测试领域，需要保持战略定力，对新技术保持持续的研发投入，对行业内领先企业保持持续跟进保证不掉队，长此以往则有望达到国际一流水平。
半导体制造产业向大陆地区转移的趋势不可逆转。根据中国电子材料行业协会（ChinaElectronicsMaterialsIndustryAssociation，CEMIA）数据，年国内半导体材料市场规模已经达到亿元。未来随着中国半导体产能规模的继续扩张，以及全球半导体晶圆制造产业向大陆转移的趋势不可逆转，我们认为国内半导体市场规模在全球占比还将继续保持提升的趋势。未来国内半导体材料的市场规模毫无疑问也将继续扩大，按照目前的行业增速，预计年国内市场规模将首次超过亿元。
图1?2芯片材料分类[2]
国际半导体产业协会（SemiconductorEquipmentandMaterialsInternational，SEMI）近日发表全球半导体封装材料市场展望报告，预测全球半导体封装材料市场将追随芯片产业增长的脚步，市场营收从年的亿美元一举上升至年的亿美元，复合年增长率-（CompoundAnnualGrowthRate，CAGR）达.4%。
SEMI表示，带动这波涨势的正是背后驱动半导体产业的各种新科技，包括大数据、高性能运算、人工智能、边缘运算、先端内存、5G基础设施的扩建、5G智能型手机的采用、电动车使用率增长和汽车安全性强化功能等。
封装材料为上述科技应用持续成长的关键，用以支持先端封装技术，让集高性能、可靠性和整合性于一身的新一代芯片成为可能。
此外，SEMI也指出，封装材料的最大宗层压基板拜系统级封装（SystemInPackage，SIP）和高性能装置的需求所赐，复合年增长率将超过5%；而预测期间则以晶圆级封装（WaferLevelPackage，WLP）9%复合年增长率为最快。
02
封装导热材料的市场分析
2.1导热相关材料
随着对更强大、更高效和更小的功率电子器件的需求不断增加，器件的功率密度变得越来越高，这对芯片器件的散热提出了更高的挑战。
一般来说，提供给电子器件的电能最终将以热量的形式耗散。热量的产生伴随着热源温度的升高，然后传递至电子模组和封装内外温度较低的区域。在封装体中，热量传递依据固体材料中的热传导过程。当热量传递至封装外表面时，一般通过热对流的形式传递至冷却流体（如空气）中。对于低功耗器件，在向外部环境传递热量时，热辐射也发挥着重要作用，电子封装内的温度会不断升髙，直到封装体向外传递热量的速率与产生热量的速率相等，温度变化才能达到稳定。因此，值得指出的是，即使并未有目的地对封装体进行散热，自然或物理定律也会限制温度的升髙。
然而，大多数情况下，如果不采取散热措施，封装体的温度将会变得过高。美国空军航空电子整体研究项目的研究结果表明，55%的器件失效是由温度因素导致的。但需要注意的是，不同于军用航空器件，大多数商用产品中的封装器件无需经过振动、灰尘或湿气等严苛的环境可靠性测试，所以温度引起的失效比例可能会更高。除了影响电子器件的可靠性之外，温度还会影响系统电路性能。因此，有必要通过人为设计对电子封装进行有效的散热。
多年来，不断提高封装密度已经成为一种趋势。随着封装密度的提高，单位电路的功率也不断増大以减小电路延迟，提高运行速度；同时，芯片和封装模组的热通量也不断増大。
按年国内封装材料市场亿的估算，其中封装材料占到50%，大概是亿的总市场。
图2?1芯片封装解构[]
导热材料主要包括芯片内部导热界面材料，底填材料，和封装基板三部分。
2.2封装基板材料
封装基板（PackageSubstrate）是由电子线路载体（基板材料）与铜质电气互连结构（如电子线路、导通孔等）组成，其中电气互连结构的品质直接影响集成电路信号传输的稳定性和可靠性，决定电子产品设计功能的正常发挥。封装基板属于特种印制电路板，是将较高精密度的芯片或者器件与较低精密度的印制电路板连接在一起的基本部件。
半导体硅材料是使用最早的基板材料，具有热导率高、成本低、与芯片热失配小、易于加工切割等特点，可以作为大功率芯片的散热基板材料。但是，使用硅作为基板材料，仍存在材料脆性大、绝缘性不良等缺点，并且导电通孔的技术不成熟，故硅基板的推广受到一定的限制。
金属基板使用的材料通常是铝和铜，并且将其压合到印刷线路板（PrintCircuitBoard,PCB）板上，形成三层结构，即得到了所谓的金属核印刷电路板(MetalCorePrintCircuitBoard,MCPCB)。铝和铜的力学性能优良，热导率高，并且易于加工，很适合作为金属基板的材料。由于使用了环氧树脂作为填充物，使其热导率通常较低，且铝和铜的热膨胀系数与芯片不匹配，极易使芯片开裂。陶瓷具有绝缘性好、强度较高、热膨胀系数小和导热性好等优点，很适合作为大功率芯片封装基板材料。
陶瓷基板材料通常有三氧化二铝（Al2O）,氮化铝（AlN）,氧化铍（BeO）,碳化硅（SiC）,四氮化三硅（SiN4）等，其中三氧化二铝陶瓷使用最广，但其热导率只有24W/(m·K)，相比于其他陶瓷基板通常较低，因此三氧化二铝陶瓷的发展便受到了限制。相比于三氧化二铝，氮化铝基板的绝缘性能更好，热导率更高（理论上可达20W/(m·K)），耐高温和腐蚀，并且其热膨胀系数与硅更加匹配，这些优异的性能使氮化铝陶瓷被一致看好[4]，作为大功率芯片封装基板。氧化铍陶瓷因其具有高热导率、高强度和绝缘性等特性，在很多领域都受到重视和应用，但是氧化铍有剧毒，其通常只用于军用。碳化硅陶瓷用作大功率芯片封装基板，各项性能都比较合适，但是由于其烧结温度过高，高达℃以上，使其制备成本明显增加，限制了碳化硅陶瓷的进一步发展。四氮化三硅陶瓷为共价化合物，其热膨胀系数低、热导率高，并且耐热疲劳性能良好，很适合用作高导热高强度的陶瓷基板材料。
复合材料基板采用多种材料混合，制成工艺往往较复杂，并且工艺并不是很成熟。虽然可以将不同复合材料相结合，但是实现过程通常较困难，推广有一定的难处。常用基板材料的性能参数见下图。
图2?2常用基板材料性能
目前的封装基板，为了体现更高的导热性能，主要有以下几种工艺。
1）金属芯印刷电路板
金属芯印刷电路板(MetalCorePrintedCircuitBoard，MCPCB)是在原有的印刷电路板（PrintCircuitBoard，PCB）基础上，将热导率较高的金属（如铝、铜等）压合到PCB上而得到的。MCPCB由金属层、绝缘层和线路层构成。
图2?金属芯基板结构
2）共烧陶瓷基板
共烧陶瓷基板分为低温共烧陶瓷基板(Low-TemperatureCo-firedCeramic，LTCC)和高温共烧陶瓷基板(High-TemperatureCo-firedCeramic，HTCC)。低温共烧陶瓷基板最早由美国研发得到，开始是应用于航空和军用电子设备中，后来陆续被欧洲和日本的公司相继引进，逐渐引入到车用市场和通讯产业中。LTCC制备工艺流程主要有混料、流延、冲孔、丝网印刷、叠片、后续检测等工艺，其烧结温度相对于高温共烧陶瓷基板来说更低。低温共烧陶瓷由于采用了流延成型，设备工艺并不复杂，可以实现自动化生产，生产效率较高，并且烧结温度低，能耗低，有一定的发展前景。相比于普通PCB电路基板，LTCC可靠性高，更能适应大电流及耐高温的要求，特别适用于恶劣的工作环境。
高温共烧陶瓷基板(HTCC)的制备工艺与LTCC相似，也包括配料、流延、干燥冲孔、丝网印刷、叠层烧结、切片等工艺，只是HTCC不掺杂玻璃粉，且其烧结温度更高。由于其烧结温度高，故使金属导体材料的使用受限，只能用钨、钼、锰等难熔，且电导率低的金属材料，限制了HTCC基板的发展。虽然高温共烧陶瓷的烧结温度高，能耗巨大，但是HTCC基板有着结构强度高、热导率高、化学稳定性好等优点，特别适合用于大功率封装领域。
图2?4覆铜陶瓷基板的截面
）直接敷铜陶瓷基板
直接敷铜陶瓷基板(DirectBondedCopper，DBC)是在铜与陶瓷之间加入氧元素，在~℃温度间得到铜-氧共晶液，随后反应得到中间相（二氧化铝铜或四氧化二铝铜），从而实现铜板和陶瓷基板化学冶金结合，最后再通过光刻技术实现图形制备形成电路。如下图所示，直接键合陶瓷基板分为层，中间的绝缘材料是三氧化二铝或者氮化铝。三氧化二铝的热导率通常为24W/(m·K)，氮化铝的热导率则为W/(m·K)。DBC基板的热膨胀系数与上述两种材料相类似，非常接近外延材料的热膨胀系数，可以显著降低芯片与基板间所产生的热应力。
4）直接敷铝陶瓷基板
直接敷铝陶瓷基板(DirectAluminumBonded，DAB)是铝与陶瓷层键合而形成的基板，其结构与DBC相似。相比于直接敷铜陶瓷基板，直接敷铝基板在理论和实验上显示出优异的特性。由于铜和氧化铝敷接的温度较高（高于℃），在界面间会形成金属间化合物二氧化铝铜，故敷铜氧化铝基板在使用时内应力大，抗热震性能差，其使用寿命较短。DAB则是铝和氧化铝之间的结合，界面不存在化学反应，且纯铝自身良好的塑性可以减轻界面间的热应力，从而提高了可靠性。
图2?5覆铝陶瓷基板的结构
5）直接镀铜陶瓷基板
直接镀铜陶瓷基板(DirectPlateCopper，DPC)是将陶瓷基板做预处理清洁，利用半导体工艺在陶瓷基板上溅射铜种子层，再经曝光、显影、蚀刻、去膜等光刻工艺实现线路图案，最后再通过电镀或化学镀方式增加铜线路的厚度，移除光刻胶后即完成金属化线路制作。
图2?6DPC基板
6）硅基板
半导体硅材料具有热阻小、热导率高、加工工艺成熟、成本低及与芯片热失配小等优点，适合用作大功率芯片的散热基板，并且最近逐渐从半导体业界引入到芯片封装领域。将直接镀铜（DirectPlatingCopper，DPC）工艺应用到硅基板上是未来制备大功率芯片的趋势之一，充分运用成熟的硅工艺和薄膜工艺得到精度高的线路，实现高密度集成封装，同时也利用硅材料的热导率高和较小翘曲等性能来满足热膨胀系数匹配。通过在硅晶圆上刻蚀出通孔结构，采用溅射、电镀方式制备得到含硅通孔（Through-Silicon-Via，TSV）铜柱的散热硅基板。硅和铜均有较高的热导率，故整个硅基板会有较高的散热能力。
图2?7硅基板
7）新型复合材料基板
新型复合材料基板是将多种所需材料混在一起，通过较复杂的工艺，利用材料各自优点而制得的基板。这种基板的综合性能通常优异，能满足不同的封装需求，因此引起了广泛的