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
2018年全球半导体材料销售规模在519亿美元，其中基体材料、制造材料、封装材料占比分别为23.4%、38.7%和28.0%。
图112018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，2018年全球半导体市场规模约为4373亿美元，中国半导体市场规模约为1220亿美元（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，2018年国内半导体材料市场规模已经达到794亿元。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2021年国内市场规模将首次超过1000亿元。
图12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2019年的176亿美元一举上升至2024年的208亿美元，复合年增长率-（CompoundAnnualGrowthRate，CAGR）达3.4%。
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
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2021年国内封装材料市场1000亿的估算，其中封装材料占到50%，大概是500亿的总市场。
图21芯片封装解构[3]
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（Al2O3）,氮化铝（AlN）,氧化铍（BeO）,碳化硅（SiC）,四氮化三硅（Si3N4）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320W/(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2000℃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22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23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24覆铜陶瓷基板的截面
3）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1065~1083℃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3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170W/(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1000℃），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25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26DPC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27硅基板
7）新型复合材料基板
图28以LED基板为例，导热性能比较
根据SEMI数据，2016年全球有机基板以及陶瓷封装体合计市场规模达104.5亿美元，占到全部封装材料的53.3%。随着高导热封装基板的需求增加，在2020年所占比例应该高于53.3%，按55%进行预估，则国内的市场空间大概在275亿。
热界面材料用来将盖板或热沉粘接到芯片封装背面，或者将盖板与热沉粘接起来，前者表示为TIM1，后者表示为TIM2。TIM1的目的是将盖板或热沉粘接到芯片背面，同时也可以有效传热。因此，TIM1材料的抗压和抗剪强度以及热导率是重要的指标。另外，由于TIM1是硅芯片与金属盖板之间的中间层，硅芯片与金属盖板之冋的热膨胀系数有显著差异，再加上倒装芯片组装工艺包括数个固化工艺步骤和温度循环过程，所以，TIM1材料的热膨胀系数也是一个重要参数。对于TIM2材料，通常用于将液冷或风冷热沉与盖板粘接在一起。在大多数产品中，TIM2材料一般作为可分离界面。因为热沉可能需要在线或在系统级组装过程中移除或重新贴装，而TIM1材料通常用于芯片与盖板的永久性连接。
TIM1解决方案属于高纯度热界面材料品级，应用于芯片管芯与芯片外壳之间，以将有害热量驱散至半导体封装外部区域。由于从数据中心到消费者设备以及车用电子设备的各种应用领域都需要功能性更强、处理功率更高的集成半导体设备，芯片封装的内部温度也因此会迅速上升，从而给传统的TIM1解决方案带来了巨大的挑战。
以市场上主流的日本信越X-23-7772-4[5]为例，该材料是一种以硅酮油为基础原油，配有一定的高导热填充物制成的合成油。由于热传导性良好，此产品是用于主芯片等的主要热界面材料TIM1的理想产品。X-23-7772-4专门用于强调高导热率和施工性，并且含有2%左右的异构烷烃类溶剂。X-23-7772-4具有卓越的防水性，而且在耐氧化方面极其稳定。
图29日本信越X-23-7772-4TIM1材料点胶工艺[5]
半导体密封装置结构随着电子制品尤其移动产品的小型化，也走上了轻薄短小化之路，并扩大了装在器材表面的结构范围。液状封装材料保护半导体芯片免受外部环境影响的新一代封装材料，当用在表面装载型结构时，起到增强半导体芯片和器材之间连接力的使用。
在液体封装材料面世以前，传统的环氧塑封料作为半导体封装材料广泛的应用，但1990年代开始，随着半导体产品的小型化，传统的环氧塑封料已经不能够满足金属引线之间的间距变短，封装装置厚度变薄等苛刻条件。从此作为替代传统的环氧塑封料的，用环氧树脂或硅树脂合成的液状封装材料营运而生。
液体环氧封装料是微电子封装技术第三次革命性变革的代表性封装材料，是封装球型阵列封装(BallGridArray，BGA)和芯片尺寸级封装(ChipScalePackage，CSP)所需关键性封装材料之一，主要包括FC/BGA/CSP用液体环氧底灌料(Underfill)和液体环氧芯片包封料两大类。Underfill主要用于填充FC/BGA/CSP中芯片与基板之间由塌陷焊球连接形成的间隙。目前，Underfill主要包括两种类型：流动型Underfill和非流动型Underfill。液体环氧芯片包封料主要用于FC/BGA/CSP等柔性封装和超薄型封装的芯片包覆．
30多年前（InternationalBusinessMachinesCorporation，IBM）公司首先提出了Flipchip(倒装芯片)互联技术的概念，将芯片面朝下与基板互联，使凸点成为芯片电极与基板布线层的焊点，进行牢固的焊接。它提供了更高的封装密度、更短的互联距离、更好的电性能和更高的可靠性。近年来随着受控塌陷芯片连接（ControlledCollapseChipConnection，C4）技术的发展Flipchip成为了一种主要的封装技术。
Underfill（底填料）是一种适用于倒装芯片电路的材料，它填充在IC芯片与有机基板之间的狭缝中，并且将连接焊点密封保护起来。Underfill封装的目的在于：
降低硅芯片和有机基板之间的热膨胀系数不匹配；
保护器件免受湿气、离子污染物、辐射和诸如机械拉伸、剪切、扭曲、振动等有害的操作环境的影响；
增强Flipchip封装的可靠性。
Underfill材料的要求是：优异的电、物理和机械性能；生产中易于应用；优异的抗吸潮和抗污染能力。
当前的underfill材料主要是硅填充的环氧树脂基体材料，其性能的改善由以下三个因素决定：
提高了对芯片的约束，减小了焊接的剪切应力，而且附加的粘接面也有降低芯片弯曲的趋势；
当弹性模量很接近于焊料的弹性模量时，环氧树脂就形成一种相对焊接的准连续区，因此就减小了在芯片和基板界面上与焊接面形成的锐角有关应力的提高；
焊料实际上是被密封而与环境隔绝。机械循环试验表明，在真空或是当用一层油脂涂层保护时，焊料疲劳寿命可以得到改善，这是由于避免了裂纹端点的氧化，减缓了裂纹的生长。
FC/BGA/CSP用底层填充料（Underfill）是一种填充球型硅微粉的低粘度液体环氧封装料，主要用于填充倒装焊芯片与基板之间的狭缝，增强凸焊点与基板的连接强度，密封凸焊点，提高FC电路的封装可靠性。
由于芯片的热膨胀系数约3ppm／℃，基板的热膨胀系数约20ppm／℃，凸焊点的热膨胀系数约25ppm／℃，要想使underfill材料达到降低硅芯片和有机基板之间的热膨胀系数不匹配的目的，它的热膨胀系数应该与凸焊点的相匹配，达到25ppm／℃左右，而纯树脂体系的热膨胀系数约60－70ppm／℃，最简单有效降低热膨胀系数的方法是加入低膨胀的填料—熔融二氧化硅。当熔融硅粉的重量含量达到65％－70％时，underfill材料的CTE将会达到我们所需要的范围。但是随着填料含量的增加，材料的粘度也会迅速升高，流动性能下降。从流变学角度考虑，球形的二氧化硅比无规的具有更好的流动性，因为前者具有更小的流动半径，球形的规整度越高，材料的粘度越低。
Underfill的工艺普遍采用的是毛细管底部填充（CapillaryUnderfill，CUF）制程[6]，通俗的说就是在芯片内部导电球（Bump）和基板接触完成后，Underfill是用虹吸的方式，从管芯的一侧流动到另一侧，一直到铺满整个管芯的底部。这个技术相对比较成熟，也应用了很多年，但是也有它本身的一些缺点：
Underfill的空洞问题，行业叫Void，始终是良率的一个隐患。一旦有Void产生，返工过程特别麻烦。市场上卖的比较好的Underfill，Void都做的很优异，国内的产品在空洞上有很大挑战。
Underfill客户第三大痛点，是爬胶问题。胶水会沿着管芯表面往上爬，而刮胶又没有好的办法。
为了更好的解决这些问题，有了非导电胶（Non-ConductivePaste，NCP）和非导电膜（Non-ConductiveFilm，NCF）的新工艺。
非导电胶NCP也是胶水的解决方案，先将Underfill点胶到基板上之后，用机械压迫式熔接（ThermoCompressionBonding，TCBonding）工艺把胶水固化。从工艺上，多了一个TCBonding，但是从良率而言，可以克服目前的3大痛点，生产效率大大提高。
和材料的配合方面，TCBonding的设备之前是韩国和日本为主，2019年后，国内也有相应的设备可以采购到，整个产业链就比较完整了。
非导电胶NCP虽然解决了市场上的一大难题，但是也有自己的缺陷，就是点胶的厚度和精度。在普通的应用中，是足够使用，但是在2.5D/3D堆叠封装中，需要更薄的材料和更精准的芯片导电球定位，就又有非导电膜NCF工艺应运而生。
非导电膜NCF目前市场上德国汉高的技术比较成熟。和非导电胶NCP唯一的区别，是用Film的形式来替代胶水，可以做的特别薄。但是从工艺而言，把这个薄膜在TCBonding热压要有特殊的设备，这个设备国内还不能制造。
非导电膜NCF现在主要的缺点，就是整个TCBonding过程比较长，而且由于要采用真空工艺，设备造价特别高，每次加工的数量也不多。如果设备和产率方面有新的技术突破，大规模采用在对厚度要求严格的应用就很理想。
非导电膜NCF最先进，目前刚刚开始在市场推广。NCP和CUF工艺类似，很快就会大规模应用，CUF工艺也有顽强的生命力，中低端应用会继续采用。
Underfill对还有一个技术热点，是工作窗口期，行业叫OpenTime。之前的产品，在70摄氏度的环境温度下，工作窗口期都比较短，一个新的技术趋势是将工作窗口期加长，行业目前最好的达到了60分钟。
03总结：封装材料市场展望-导热需求刻不容缓
近年来，随着电子器件逐渐向大功率、小型化及高集成度方向发展，散热问题逐渐成为制约下一代高功率密度电子器件发展的瓶颈问题；同时，电子元件分布密度过高或高频电路造成的电磁干扰问题愈加严重，尤其是随着高频高速第五代通讯技术（5thGeneration,5G）时代的到来，对芯片封装与系统导热材料提出了更高的要求。因此，如何同步实现电子封装材料的高导热性与整体系统导热能成为目前急需解决的关键技术问题。
芯片内部导热界面材料（TIM1），底填材料（Underfill），和基板（Substrate）的导热问题，已经成为芯片封装材料中，导热的瓶颈，市场急需高导热材料的创新新产品。