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[1]，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[2]，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．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须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[3]．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[4]．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．其中高分子转接板(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[5-6]，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．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[7]．硅转接板结构典型孔径和深度范围分别为1～10 μm和10～150 μm，深宽比范围为5∶1～20∶1[8-9]．硅转接板结构以盲孔为主，若须制备通孔，则一般在盲孔填充完成后，通过减薄工艺去除盲孔底部硅材料[10]．基于硅的半导体特性，硅转接板制备工艺主要包括以下四步：a．深反应离子刻蚀(deep reactive ion etching，DRIE)加工盲孔；b．孔内沉积二氧化硅绝缘层；c．采用物理气相沉积(physical vapor deposition，PVD)在孔内沉积阻挡层和种子层，然后电镀填充硅转接板；d．平坦化[11]．其中深反应离子刻蚀可加工直径小于1 μm的硅转接板结构，但成本高且效率低；最新发展的干法刻蚀技术可提高硅转接板加工效率(刻蚀速率为20～25 μm/s)，但容易形成扇贝状侧壁形貌，导致硅转接板绝缘层和阻挡层受应力和电场影响，引起铜层扩散和漏电流等可靠性问题[12]．介电层和阻挡层是硅转接板的特有结构，增加了硅转接板制备工艺的复杂度，降低了其整体可靠性[13]．硅转接板填充材料包括铜和钨两类，通过电镀可以实现硅转接板盲孔批量填充，但与陶瓷转接板通孔的填充过程有本质差异．根据硅转接板结构的形状特征，电镀液通常在盲孔底部形成涡旋导致电流分布不均匀和角效应，增加了空洞形成概率[14]．为了避免底部漏填、包芯和顶部凹陷过大等填充问题，须要采用“自底向上”[15]或“超共形”填充模式[16]．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[17]；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．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[18]；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[19]；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．对于功率器件封装而言，单位面积内芯片功率增大或数量增加将引发严重的热积累问题，器件局部热流密度可达1 kW/cm2以上[20]．为确保器件工作的可靠性与稳定性，需要封装材料在预期温度下具有可接受的性能[21]．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，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．在材料方面，陶瓷转接板包括以下优势：a．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；b．高耐热性，陶瓷具有极高的热稳定性(800～1 500 ℃)，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；c．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)/℃[22]，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/℃[23]，与硅材料基本相当，可降低热应力，提高可靠性；d．高绝缘性，陶瓷材料电阻率通常1×1015 Ω∙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；e．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；f．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；g．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．在结构方面，陶瓷转接板具有以下特点：a．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；b．陶瓷材料绝缘性好，通孔内无须制备绝缘层和阻挡层；c．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．在制备技术方面，陶瓷转接板优势体现在：a．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)；b．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；c．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[24]．目前，研究人员在陶瓷转接板制备技术、工艺优化和封装应用方面开展了大量研发工作，从而丰富了对该技术的多维度认识．本研究旨在详述陶瓷转接板技术发展历程，并结合本课题组研究成果，对陶瓷转接板制备关键技术、封装应用与后期发展进行综述．1 陶瓷转接板技术发展与关键技术陶瓷材料在20世纪初开始应用于电子封装，常见的包括氧化铝、氮化铝、氮化硅等．其中氧化铝是最早应用的陶瓷基板材料，具有原料来源丰富、价格低廉、绝缘性高、耐热冲击、抗化学腐蚀及机械强度高等优点，但热导率相对较低，主要用于无线通信、汽车电子、半导体照明等领域，占陶瓷基板总量80%以上[25-26]．随着封装技术发展和需求提升，氮化铝陶瓷因其更高的热导率(是氧化铝陶瓷的6～8倍)和更低的热膨胀系数(是氧化铝陶瓷的40%～50%)，在高散热器件中的应用比例不断增加；氮化硅不仅具有以上优良特性，还具有较高的硬度、机械强度、耐磨性和热稳定性，是综合性能最好的陶瓷材料，主要应用于汽车动力装置、逆变器等领域[27]．根据金属线路层制备技术不同，陶瓷基板(又称陶瓷电路板、陶瓷线路板)可进一步分为薄膜陶瓷基板(thin film ceramic，TFC)、厚膜陶瓷基板(thick film printing ceramic，TPC)、高/低温共烧陶瓷基板(high/low temperature co-fired ceramic，HTCC/ LTCC)、直接键合铜陶瓷基板(direct bonded copper，DBC)、活性焊接陶瓷基板(active metal bonding，AMB)、直接电镀铜陶瓷基板(direct plated copper，DPC)等．本文将表面含金属线路层、内部含通孔结构、具有水平和垂直电互连功能的陶瓷基板称为陶瓷转接板．1.1　陶瓷转接板技术的发展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．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[27]．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，制备工艺流程如图1所示，主要包括：a．激光打孔；b．沉积种子层；c．图形转移(贴膜、曝光、显影)；d．线路层电镀增厚与电镀填孔；e．陶瓷覆铜板表面研磨；f．去干膜、种子层和表面处理[28]．10.13245/j.hust.241201.F001图1含垂直通孔的直接电镀铜陶瓷基板制备流程图[28]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：a．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；b．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；c．金属线路层采用图形电镀工艺制备，厚度较大(10～1 000 μm)，提高了器件载流能力；d．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．2005年，为满足大功率发光二极管(light emitting diode，LED)封装散热需求，台湾同欣电子首次研制出直接电镀铜陶瓷基板．最初，直接电镀铜陶瓷基板的两个主要应用为存储器组件和发光二极管封装．当时芯片的电气连接方式主要是引线键合，封装密度较低，因此直接电镀铜陶瓷基板的散热优势并未得到充分利用．自2007年以来，国内外垂直和倒装发光二极管芯片使用量不断增加，由于直接电镀铜陶瓷基板可以通过通孔结构实现电互连，同时具有图形精度高、导热/耐热性好等技术优势，因此大量应用于大功率、高可靠白光发光二极管封装．近年来，随着深紫外杀菌消毒市场不断扩大，深紫外发光二极管需求快速增长，该芯片须要借助腔体(围坝)结构来实现气密封装．然而，传统有机封装材料在紫外线照射下容易发生光降解，导致老化或开裂[29]．相比之下，三维直接电镀铜陶瓷基板采用图形电镀工艺直接在陶瓷片上制备金属围坝，既避免了使用有机材料，又保证了气密性，可显著提高封装器件的可靠性，进一步扩大了陶瓷转接板在发光二极管封装中的应用范围．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20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．下面将重点介绍陶瓷转接板制备技术，并对其中的技术挑战和解决方案进行分析．1.2　陶瓷转接板制备关键技术1.2.1　激光打孔随着功率器件对封装集成度和性能要求的提高，对陶瓷转接板通孔的加工质量与效率提出了更加严苛的要求，需要其具有低锥度、高厚径比和内壁光滑等优良特性[30]．由于陶瓷基片一般经流延成型后烧结制备，硬度大、脆性高且熔点较高，传统的机械切割、钻孔或电火花加工等方式难以在陶瓷基片上加工通孔，并且很容易形成裂纹甚至引起断裂失效，因此成品率较低[31-32]．激光打孔作为一种非接触式高能束精密加工技术，可满足陶瓷基片打孔需求．具体而言，激光打孔通过将高功率密度脉冲激光光斑瞄准陶瓷基片特定区域，使该区域内的陶瓷材料吸收激光束中的光子并转化为热能，从而实现熔化、汽化[33]和化学键断裂过程；将高效能激光器与高精度数控设备配合，通过微处理器进行程序控制，可以实现高效率批量钻孔；非接触式加工不存在刀具磨损现象．激光打孔加工精度高、孔形圆度好、侧壁陡直度高、加工效率高、热影响区小、工艺灵活、经济效益好[34]，是目前加工陶瓷转接板通孔的主要技术，也是应用最广泛的陶瓷加工技术[35]．反映陶瓷转接板通孔加工质量的主要参数包括通孔直径、裂纹数、孔壁粗糙度、孔形尺寸(锥度、圆度)和热影响区直径(heat affected zone，HAZ)等．以上参数均可由脉冲激光工艺调控，并将影响陶瓷转接板垂直通孔的后续填充过程和质量．常用于制备陶瓷转接板通孔的激光加工分为毫秒激光加工、纳秒激光加工、皮秒激光加工和飞秒激光加工等，可调节的激光参数包括激光焦点距离、激光功率、重复频率、加工速度以及辅助气体压力等，在不同参数组合下可形成多种加工效果，须要根据陶瓷基片材料、厚度、通孔尺寸、加工精度等要求进行选择[36-38]．通孔直径：由激光脉宽、功率和焦距共同控制，它们决定了激光脉冲对陶瓷的烧蚀半径．毫秒激光加工和纳秒激光加工适用于加工效率要求较高的大孔径通孔，但可能造成较大的热积累和热损伤；皮秒激光加工和飞秒激光加工适合加工精度和复杂性要求较高的微米尺寸通孔，可以最大限度减少热效应，但加工效率较低[39]．通孔裂纹数：较小的脉冲宽度和较大的脉冲峰值强度可以减小激光在陶瓷材料内的热穿透深度及扩散深度，有利于降低热膨胀对陶瓷材料的损伤，减少表面再凝固和微裂纹形成概率．孔型尺寸：陶瓷转接板通孔锥度由通孔入口和出口的相对直径变化形成，激光功率影响通孔入口尺寸，脉冲时序和基板厚度影响通孔出口尺寸；高激光功率可以降低通孔锥度(直通孔)，原因在于激光能量增大，激光对陶瓷基板的穿透深度增加，材料去除率增大，从而增大通孔出口直径，降低锥度；低功率下，靠近表面的材料熔化更多，而内部没有完全熔化，导致锥度角增大(锥形孔)．陶瓷转接板通孔圆度与激光频率和脉冲宽度相关，降低激光频率和增加脉冲宽度有助于提高陶瓷转接板通孔圆度，材料可获得较长冷却和凝固时间，有助于减少通孔加工过程中气泡和碎片的不规则运动，但也易于在陶瓷基片表面形成枝晶[40]．热影响区直径：与激光峰值功率、激光波长和脉冲持续时间相关．首先，热影响区直径与激光峰值功率成反比，当峰值功率在较低水平持续输入时，热量在陶瓷转接板上传递使得用于通孔加工的能量利用率降低，因此将形成较大的热影响区直径；峰值功率增大，有利于用于冲击基板高热能积聚，使其用于烧蚀通孔，减少扩散损耗，降低热影响区直径．对于高热导率的氮化铝陶瓷材料(170～235 W/(m∙K))，通孔加工过程中激光能量积累更加困难，导致热影响区直径增加．因此，必须增加激光功率，降低工作速度，降低辅助气体压力．其次，热影响区直径受激光波长的影响较大，毫秒激光、纳秒激光等传统激光的加工热效应明显，导致过大的热影响区直径，不适合陶瓷等材料的精密切割；而先进的皮秒激光、飞秒激光等超快激光可以将热影响区直径控制在0.01～0.10 mm量级，不仅能够实现高质量切割，还可以保证热影响区直径不受脉冲宽度影响．最后，脉冲持续时间对热影响区直径的影响主要体现在传统激光加工中，在相同的脉冲波长下，毫秒激光和纳秒激光将形成较大的热影响区直径，产生肉眼可见的烧焦痕迹，切割边缘处将出现毛刺或翻边缺陷[41]．随着研究的不断深入，复合脉冲激光技术也被应用于陶瓷转接板通孔加工，可以在熔体高效去除的同时，提高通孔侧壁质量．例如对于厚度为1 mm的氧化铝陶瓷，可将通孔锥度降低至1.09°，圆度提升至0.96，材料去除率增加到1.9×10-8 m3/J[42]．随着高性能陶瓷材料的快速发展，激光加工陶瓷转接板通孔技术面临的主要挑战在于扩大激光可加工的陶瓷材料范围，包括具有独特性能和成分的陶瓷．此外，脉冲激光对陶瓷材料的加工效率和精度仍须进一步提高，特别是针对孔径为百微米量级的通孔、高速打孔(30孔/s以上)和无锥度、无裂纹通孔加工等成为主要突破方向．后期研究须要聚焦于激光加工的可持续性，实现先进技术突破，为陶瓷转接板通孔高速加工提供新的技术思路[34]．1.2.2　陶瓷基片清洗经过激光加工后，陶瓷基片表面会残留大量碎屑、油污、氧化物和有机物等污染物，须要进行彻底清洗．陶瓷基片清洗流程包括碱洗、酸洗、丙酮洗、乙醇洗、超声清洗等．其中碱洗通常使用氢氧化钠溶液，须要升温至60～80 ℃以加快反应速率，该步骤不仅可以通过皂化反应去除油污，还可以去除表面氧化层，使陶瓷基片表面颜色一致，呈现全新的陶瓷表面[43]．酸洗主要用于中和碱洗过程中的碱性溶液，提高陶瓷基片表面活性，增强其与种子层间结合力．丙酮和乙醇主要用于去除有机物．陶瓷基片清洗面临的挑战在于碱洗对部分陶瓷材料去除速率不均．如氮化铝陶瓷转接板通孔中心的去除速率较高，这将导致通孔形状发生变化，进而影响后续通孔电镀填充，因此须要对碱洗溶液组分和碱洗工艺进行系统优化．1.2.3　金属种子层沉积由于陶瓷材料本身是绝缘体，不能直接作为表面线路层电镀增厚和通孔内电镀填充的基底，因此须要在陶瓷基片表面和通孔内沉积金属种子层．种子层沉积质量直接影响陶瓷转接板通孔内电镀铜的晶粒尺寸、形状和取向，如果种子层制备不良，那么将导致孔内金属疏松和中心空洞等常见问题．陶瓷基片种子层制备方法包括化学镀铜法、磁控溅射法、黑孔化法和丝网印刷法等．其中化学镀铜法工艺和镀液成分复杂，早期化学镀铜液中含有对人体有害的致癌物甲醛和多种有机化合物，会对环境造成严重污染．尽管后续研究替换了有毒的还原剂甲醛，但镀液稳定性也较差[44-45](见图2)，因此逐渐被其他种子层制备工艺所取代[46]．10.13245/j.hust.241201.F002图2陶瓷基片表面化学镀铜层显微图磁控溅射是在陶瓷表面沉积金属种子层最常用的方法，理论上可以实现任意金属成膜，具有膜层厚度均匀、致密、纯度高、结合强度高等优点[47-48]，如图3所示．由于陶瓷基片表面具有一定粗糙度，因此可以保证金属-陶瓷间较高的结合强度．借助掩膜版，还可以实现陶瓷表面金属图形化．但磁控溅射也存在一些问题，由于金属与陶瓷间热膨胀系数相差较大，金属种子层与陶瓷基片间存在较大内应力，并且无法沉积厚膜[49]．目前的研究主要从溅射层组成和后处理两个方面进行优化．在溅射层组成方面，铜材料热膨胀系数远大于陶瓷材料，当铜膜和陶瓷基体经过磁控溅射后的高温冷却到室温时，铜膜收缩量大于陶瓷基体收缩量，产生张应力．为了解决该问题，可以在两者间增加活性金属钛作为过渡层．金属钛具有优良的韧性，并且可以部分注入陶瓷基板，从而既保证金属层与基板间结合力，又可以降低金属种子层内应力[50]；在后处理方面，可以在溅射种子层表面电镀或化学镀镍、铜等导电性良好的金属层，或者通过退火工艺使铜再结晶或晶粒长大来促进材料软化，进而改善内应力[51-52]．10.13245/j.hust.241201.F003图3黑孔工艺制备陶瓷转接板通孔种子层黑孔化技术于1980年代由美国OlinHunt公司提出．最初，该工艺使用炭黑颗粒作为导电介质，后来逐渐转变为比表面积更大的石墨、纳米碳或石墨烯．通过氧化改性或使用表面活性剂来增加导电介质的亲水性、溶解度和分散性，以获得稳定的导电体并改善其对孔壁的吸附能力，具有生产效率高、污染排放低等优点．黑孔化处理过程包括整孔、冲洗板面、导电处理、烘干和微蚀．为了确保工艺可靠性，通常会将黑孔化工艺循环两次[53]．本课题组Chen等 [54]提出了一种基于黑孔化工艺的陶瓷转接板制备技术，利用陶瓷基片疏松多孔结构促进黑孔液渗透并浸润到高厚径比陶瓷转接板通孔孔壁上，增加了纳米碳膜附着力和导电性，避免因溅射工艺不良导致的陶瓷转接板通孔中心无铜的缺陷，提升了陶瓷转接板通孔填充良率(见图3)．丝网印刷法通过控制刮刀在图案网版上的匀速运动，将导电金属浆料印刷在陶瓷基片上，待浆料在重力作用下流平后，再高温烧结得到厚膜陶瓷基板．丝网印刷法可实现陶瓷基片表面的金属图形化，但图形精度较低．目前该方法的主要问题在于控制烧结过程中金属层变形或开裂，以及导电浆料图形厚度受限，无法承受大电流．目前的研究重点是研制低温烧结金属浆料，将烧结温度降低至300 ℃以下，从而最大限度降低高温引起的内应力．本课题组Luo等[55]使用丝网印刷法在陶瓷基片表面制备导电银浆图形，并通过电镀铜增厚银层，提高其导电性与结合强度(见图4)．该方法结合了直接电镀铜陶瓷基板与厚膜陶瓷基板的技术优势，烧结银层、电镀铜层和陶瓷基片间结合强度高，从技术上验证了烧结银层作为直接电镀铜陶瓷基板种子层的可行性，为直接电镀铜陶瓷基板制备提供了新思路．10.13245/j.hust.241201.F004图4基于丝网印刷的直接电镀铜陶瓷基板制备流程及横截面微观形貌图[55]1.2.4　图形转移图形转移是利用光敏材料的光化学反应，将微细图形从掩膜版转移至待加工基片表面的工艺过程．光刻胶是一种重要的光敏材料，其性能决定了陶瓷转接板的图形精度与良率，常用材料包括SU-8、聚二甲基硅氧烷和丙烯酸干膜光刻胶等．其中最常用的干膜光刻胶为固态负性光刻胶，其成本比正性光刻胶显著降低，具有一系列典型厚度(0.8，1.2，1.5，2.0 mil，1 mil=25.4 μm)，在应用中省去了液态光刻胶的匀胶、固化等步骤，整体工艺简单[56]；应用中可通过对轮式层压机在加温加压条件下平整贴敷在陶瓷基片表面，与基片黏附良好，厚度均匀，边缘凸起现象少；曝光后线条精度高，显著提升图形侧壁光滑度[57]；可通过多层叠加和曝光显影制备高厚度微结构，满足三维结构制备需求[58]；可耐受强酸性溶液长期浸泡，物理化学性能优良，因此是陶瓷转接板图形转移的首选光敏材料，其应用广泛．干膜光刻胶使用紫外接触式曝光，常用紫外光波长为355～410 nm[59]．曝光前将含有待转移图形的胶片贴附在干膜表面，紫外光穿透非图形部分胶片，使干膜光刻胶发生聚合反应而固化；而图形部分胶片不能透过紫外光，下层干膜光刻胶保持原有特性．根据显影和去除方法不同，干膜光刻胶可分为溶剂型、剥离型和水溶型三类．溶剂型光刻胶依赖大量有机溶剂去除，成本较高，并且部分有机溶剂有毒，限制了该类型干膜应用；剥离型干膜无需溶剂，未曝光干膜可直接剥离；水溶性干膜的显影与去除均使用水基碱性溶液，未曝光部分极易溶解于质量分数为1%～2%的碳酸钠溶液，曝光部分可溶解于质量分数为1.5%的氢氧化钠溶液[60]，成本较低，不使用毒性溶剂，应用最广．一般情况下，紫外曝光剂量与光刻胶厚度成正比，曝光剂量过小会降低图形精度[58]．同时，干膜在显影过程中会膨胀变形．因此，为了获得高精度线路或结构图形，须要合理控制单次曝光的干膜厚度、曝光剂量、显影液浓度和显影时间．目前，图形转移主要面临两个挑战：图形精度(锥度、尺寸)控制和黏附强度提升．干膜光刻胶在显影过程中易变形和膨胀，分辨率不佳，图形边缘解析度较低，难以应用于纳米级先进制程．此外，干膜光刻胶在空气中会受到氧气影响，无法长时间储存；显影后普遍存在残胶问题，影响后续工艺的加工精度和结合强度．而使用大厚度干膜光刻胶进行图形转移，图形侧壁会出现明显锥度．干膜光刻胶与陶瓷转接板间的黏附性问题主要出现在精细图形中，干膜光刻胶底部在显影过程中容易发生液体渗透，导致与陶瓷转接板脱离并发生变形．1.2.5　陶瓷转接板通孔电镀填充陶瓷转接板通孔电镀填充是利用电化学方法在陶瓷通孔内种子层上电沉积金属铜的工艺．相比传统的树脂塞孔和导电胶塞孔方法，电镀填孔具有更高的导热性和可靠性．根据电源类型，陶瓷转接板通孔电镀填充方法可分为直流电镀法和脉冲电镀法两类．a．直流电镀法直流电镀法是陶瓷转接板通孔电镀填充的理想方法，具有高效和工艺简单等优势．填充过程中，电镀溶液在孔口(板面)附近的对流强度大于孔中心，孔口电荷分布密度高于孔中心，这与盲孔电镀的流场和电场环境存在明显差异，因此无法直接使用盲孔的电镀液配方[61]．早期的直流电镀液配方须要配备专用设备，才能填充厚度小于200 μm、直径为100 μm的陶瓷转接板通孔．随着基板厚度增加，陶瓷转接板通孔内部传质条件恶化，施镀电流密度减小，填孔所需时间大幅延长，难以避免通孔内出现空洞、狭缝等缺陷．因此，高速直流无缺陷电镀填充高厚径比陶瓷转接板通孔仍然面临较大技术挑战．在直流电镀工艺中，陶瓷转接板电镀填孔过程主要受添加剂调控．由于通孔特征尺寸引发的结构性问题，工艺优化方向主要为减小孔表面与孔间镀速差形成填充孔，主要优化方法为改进直流电镀铜溶液配方和修改辅助工艺参数[62]．为了确保陶瓷转接板通孔信号传输的稳定性和可靠性，通常采用“蝴蝶型技术(butterfly technology，BFT)”和“自底向上(bottom-up)”的组合方式来促进无缺陷填充．“蝴蝶型技术”基于抑制剂为主的吸附/消耗/扩散(adsorption/consumption/diffusion，ACD)填孔机理[63-64]，该机理认为对流是调节添加剂吸附的重要因素．由于从孔口(板面)到孔中心，对流强度逐渐减小，抑制剂浓度逐渐降低，而加速剂浓度递增，从而改变通孔内次级电流分布，进而调节不同区域铜层沉积速率．填充过程中，孔中心铜层沉积得到促进，而孔口附近铜层沉积被抑制，导致孔内呈现“蝴蝶形”镀层形貌．随着孔中心桥接形成，填充方式由蝴蝶形转变为自底向上填充．自底向上填充依赖于添加剂的对流吸附机理(convection-dependent adsorption，CDA)，该机理最早出现于盲孔填充，在随后的大量填充研究中得到验证：强对流促进氯离子(Cl–)吸附，形成稳定的“抑制剂-一价铜离子(Cu+)-氯离子”络合物，减少了阴极表面附近一价铜离子含量，增加了二价铜离子(Cu2+)向阴极表面扩散阻力，在较大范围内抑制铜离子还原与沉积过程[65-66]．本课题组在直流无缺陷填充陶瓷转接板通孔方面进行了大量研究．对于高厚径比陶瓷转接板通孔，Chen等 [54]基于高硫酸铜浓度(120 g/L)和低硫酸浓度(55 g/L)的基础镀液(virgin make-up solution，VMS)，研发了包含加速剂噻唑啉基二硫代丙烷磺酸钠、抑制剂聚乙二醇8000和整平剂氯化硝基四氮唑蓝的电镀液配方，通过调节喷液、鼓气等对流参数，优化了流场分布；如图5所示，在2 h内1.5 A/dm2电流密度下，实现了“蝴蝶形”电镀填孔过程，完成了厚径比为4.75∶1.00～6.25∶1.00的陶瓷转接板通孔无缺陷填充．特别是对于厚径比为6.25∶1.00的陶瓷转接板通孔，电镀液深镀能力(throwing power，TP)高达147%．10.13245/j.hust.241201.F005图5直流高速无缺陷填充陶瓷转接板垂直通孔[54]Wang等[67-71]结合流场模拟、电化学分析和陶瓷转接板通孔电镀实验，探究了以上三种添加剂在陶瓷转接板通孔电镀过程中的相互作用机理．如图6所示，揭示了陶瓷转接板通孔内部电镀液流场随厚径比的变化规律：随着通孔厚径比降低，孔中心溶液流速迅速增大，而孔口流速变化较小，从而形成了大厚径比通孔孔口高流速和孔中心低流速、小厚径比通孔孔口低流速和孔中心高流速的分布特征．通过电化学分析证实该配方存在随对流强度增大而增强的抑制铜沉积作用，具有较大的陶瓷转接板通孔无缺陷填充潜力．通过改变陶瓷转接板通孔填充实验中的流场强度，结合铜层形貌，分析了孔中心空洞、狭缝、壳状结构的形成原因．值得注意的是，该配方还能大幅度降低甚至消除孔口凹陷，提10.13245/j.hust.241201.F006图6直流高速无缺陷填充陶瓷转接板通孔流场仿真[67]高线路层表面质量和厚度均匀性．以上研究丰富了高厚径比陶瓷转接板通孔结构填充机理，为后续工艺开发和优化提供了坚实基础．对于低厚径比陶瓷转接板通孔，本课题组王哲等[72]通过分析添加剂作用机理，在高酸低铜(0.24 mol/L五水硫酸铜、2.34 mol/L硫酸)基础镀液体系基础上，获得了适用于低厚径比陶瓷转接板通孔填充的添加剂配方．图7显示，通过工艺参数优化，扩大了无缺陷填充陶瓷转接板通孔的工艺窗口(厚径比为1.25∶1.00～6.25∶1.00)．与常规直接电镀铜陶瓷基板相比，低厚径比陶瓷转接板通孔阵列能促进直接电镀铜陶瓷基板封装散热．该研究为低厚径比陶瓷转接板通孔无缺陷填充问题提供了解决方案，并拓展了陶瓷转接板通孔应用范围．10.13245/j.hust.241201.F007图7低厚径陶瓷转接板通孔电镀填充及封装应用b．脉冲电镀法脉冲电镀是一种实用的高厚径比陶瓷转接板通孔电镀技术，通常包括正向脉冲和换向脉冲电镀两类．其中正向脉冲电镀主要利用脉冲间隔优化溶液传质．换向脉冲电镀不仅集成了正向脉冲电镀的优点，还利用反向脉冲快速溶解孔口等高电流密度区域的铜层，避免了孔口优先于孔中心闭合的现象，增强了电镀液在通孔中的交换能力和深镀能力，提高了线路层厚度均匀性，减少了阳极金属和添加剂消耗，允许设置更高的脉冲电流峰值，增强了阴极极化，是近年来的研究热点[73-74]．本课题组陈珍等对于换向脉冲填充陶瓷转接板通孔进行了大量实验探究，基于施洛特添加剂，系统分析了换向脉冲频率、占空比、正/反电流密度比和电流密度对陶瓷转接板通孔填充过程和深镀能力影响，提出了不同陶瓷转接板通孔电镀填充的脉冲参数选择建议：高厚径比通孔宜采用电流密度和占空比较小的脉冲电流，低厚径比通孔应采用占空比较小、反/正电流密度比和电流密度较大的脉冲(如图8所示)．10.13245/j.hust.241201.F008图8脉冲电镀法填充陶瓷转接板通孔进一步地，还可以针对陶瓷转接板通孔填充不同阶段设置多段脉冲，即在通孔桥接前，通过特定的异步反向脉冲波形促进添加剂在中心搭桥；通孔中心桥接后，调节脉冲参数促进铜层自底向上生长，同时控制线路层厚度．然而该工艺较为复杂，须要严格控制添加剂和电镀参数，对电镀设备也提出了更高要求，其工艺稳定性仍有待提高[62]．1.2.6　高速低应力厚铜电镀在完成平面陶瓷转接板制备后，通常将须要气密封装的芯片器件封装于密闭腔体中，以隔离空气、湿气和灰尘，为芯片提供稳定的工作环境．武汉利之达[75]提出采用多次图形电镀工艺，在平面陶瓷转接板表面一体化制备厚铜围坝结构(500～800 μm)，形成三维陶瓷转接板(见图9)，所得的电镀铜围坝具有较高的尺寸精度、结合强度(常温下高达45.5 MPa)、耐热性和气密性(低于1×10-8 Pa∙m3∙10.13245/j.hust.241201.F009图9三维陶瓷转接板实物图[75]s-1)，综合性能优异，市场潜力较大，现已成功应用于深紫外发光二极管、激光器等器件封装中．虽然以上研究验证了图形电镀制备三维陶瓷转接板的可行性，但图形电镀速率偏低，严重限制了围坝结构制备效率．根据法拉第电解定律，阴极表面沉积铜的质量与电流密度成正比．电流密度是影响电镀速率的最主要因素之一，受限于电镀液特性，不能无限提高．超过极限电流密度会引起结瘤烧焦等电镀缺陷，导致图形边缘与中心的厚度差异增加，降低厚铜图形质量和均匀性，同时增加后续研磨工序去除量，降低基板可靠性．此外，铜层厚度增加会增大镀层内应力，引起转接板翘曲变形或开裂．因此，目前厚铜图形电镀的主要研究方向是增大铜层沉积速率、提高铜层质量和控制内应力[76]．本课题组针对厚铜图形的高速制备与质量提高进行了大量研究．Wang等[77]提出了一种新型直流高速厚铜电镀方法．如图10所示，该研究通过优化高速图形电镀配方，将电镀液极限电流密度提高至15 A/dm2以上；基于电化学分析揭示了添加剂在高电流密度下促进铜层成核和细化晶粒、在弱对流环境下促进铜层沉积的作用机理，避免了图形电镀过程中的空洞缺陷．厚铜图形电镀速率高达150 μm/h，镀层致密均匀，表面呈镜面光亮，实现了电镀速率与镀层质量的同步提升，大幅度提高了厚铜图形制备效率与可靠性．10.13245/j.hust.241201.F010图10高速厚铜图形电镀[77]陈方康等[78]采用电镀键合方式实现铜围坝与陶瓷转接板间连接，如图11所示，该工艺与陶瓷转接板制备工艺高度兼容，通过电镀键合消除界面差异，散热性能良好，但由于镀液难以完全进入围坝和基板间隙，键合层易形成缺陷，影响基板可靠性，目前该工艺还处于优化阶段．10.13245/j.hust.241201.F011图11电镀键合围坝的直接电镀铜陶瓷转接板[78]在镀层应力控制方面，本课题组王永通等[79]以降低厚铜陶瓷转接板翘曲为目标，基于高速厚铜图形电镀方法，开发了铜-碳化硅高速复合电镀工艺，改善了镀层内应力和热膨胀系数等性能，并将铜-碳化硅复合镀层用作中间层，制备出含厚铜结构的低翘曲陶瓷转接板．如图12所示，与纯铜镀层陶瓷转接板相比，厚度为450 μm的铜-碳化硅复合镀层在常温下对基板翘曲的降低幅度超过60%，经热循环后未出现裂纹或脱落现象，具有较高结合强度，有利于提高转接板可靠性和后续封装质量．10.13245/j.hust.241201.F012图12铜-碳化硅复合镀层1.2.7　陶瓷覆铜板表面研磨在陶瓷转接板制备过程中，电镀铜层厚度不均的现象无法避免，部分产品的厚度差甚至超过100 μm，必须采用研磨工艺控制镀层厚度和均匀性．铜材料延展性好，研磨过程中易发生塑性变形，形成划痕或铜皮缺陷；陶瓷材料硬度较大，与铜材料去除速率差异明显，对研磨工艺提出了极大挑战．适用于陶瓷转接板的研磨技术包括砂带研磨、平面研磨、数控研磨、陶瓷刷磨和化学机械抛光等．砂带研磨是一种常用的表面金属粗磨技术(见图13(a))，使用含有表面磨料的砂带滚轮，对传送带上的样品进行快速研磨，研磨效率较高．但砂带研磨压力分布不均匀，容易碎板，且研磨面粗糙度高，难以满足高精度应用需求．10.13245/j.hust.241201.F013图13陶瓷覆铜板表面研磨示意图平面研磨技术采用研磨砂作为研磨介质，当使用粗粒度研磨砂(如600号碳化硅)时，研磨效率较高，但研磨后铜层表面粗糙度较大(0.5 μm≤Ra≤0.6 μm)；而当选用较细研磨砂(如800号碳化硅)时，研磨效率较低，但表面粗糙度较小；研磨过程中至少要保证正、反面交替一次，且研磨时长和参数尽量保持一致，这样可以保证上下表面铜层减薄量相等；上下表面通过正反交替，互为研磨基准面，减轻因研磨盘不平整造成的基准面研磨偏差，保证线路层平面度和平行度要求．然而平面研磨易出现铜皮覆盖干膜现象，须要增加回蚀处理步骤，由于多次回蚀将造成表面粗糙度增大(Ra≥0.5 μm)，无法满足共晶焊接要求，须要通过优化研磨砂尺寸与顺序、调整研磨压力和开发铜层厚度快速测量技术等来满足陶瓷覆铜板研磨需求．数控研磨主要使用数控磨床．首先在磨床刀头上贴附砂纸，通过刀头快速旋转，研磨吸附在平台上的陶瓷基板，如图13(b)所示．其特点在于工序简单，研磨较为均匀，但砂纸消耗量大，且须要手工更换．陶瓷刷磨则使用表面覆有陶瓷/金刚石复合磨料的滚轮，当滚轮高速旋转时，对传送带上以一定速度运动的陶瓷基板进行磨削，如图14所示．由于滚轮上的压力传感器可以控制研磨压力及橡胶层的缓冲作用，因此陶瓷刷磨可控制基板表面铜层厚度及其均匀性．10.13245/j.hust.241201.F014图14陶瓷刷磨示意图化学机械抛光(chemical mechanical polishing，CMP)在半导体行业应用较多，其结合了机械研磨和化学腐蚀的优点，是一种精密的研磨/抛光技术．化学机械抛光借助磨粒的机械研磨作用和研磨液的化学腐蚀作用，化学成膜与机械去膜过程交替进行，实现超精密平面加工，具有均匀性好、精度高、可避免材料变形等优点[80]．因此，化学机械抛光常用于对表面平整度要求较高的样品，研磨后表面粗糙度较低，如镜面光亮．武汉利之达[81]对比分析了砂带研磨、数控研磨和陶瓷刷磨三种固结研磨法和化学机械抛光对陶瓷转接板表面质量和后续封装性能的影响(见图15)．研究表明陶瓷转接板粗磨加工宜选择砂带研磨，虽然所得铜层表面粗糙度大，但加工效率较高；对于需要较高厚度均匀性的陶瓷转接板，应使用数控研磨和陶瓷刷磨，将铜层表面粗糙度控制在0.3 μm以下，厚度差小于30 μm，以满足共晶贴片需求；经化学机械抛光后的铜层表面质量最高，粗糙度小于0.1 μm，厚度差小于10 μm．不同研磨技术所能达到的最终表面粗糙度不同，实际加工中可根据表面粗糙度需求，联合运用多种研磨技术．10.13245/j.hust.241201.F015图15陶瓷覆铜板研磨表面[81]1.3　陶瓷转接板集成技术陶瓷转接板三维集成是实现封装系统高性能、多功能化和降低成本的必然之路．基于陶瓷转接板的优良特性，通过异质集成和多工艺集成，在转接板内集成更多的功能器件和热控部件，在增强封装功能和性能的同时，达到缩小体积、降低成本的目的．本课题组针对陶瓷转接板异质集成方法、高效集成散热技术等方面进行了大量探索．王哲等[82]提出了一种内嵌陶瓷转接板的印刷电路板结构，如图16所示．在该结构中，陶瓷转接板作为增强体嵌入开窗的印刷电路板中，利用陶瓷的高导热特性将其作为芯片承载点，以强化局部散热效果．陶瓷转接板用于扩展及多样化设计．印刷电路板部分具有低成本优势，主要用于电气互连．通过对比相同热源下该结构与印刷电路板性能，可知内嵌陶瓷转接板可以提升印刷电路板散热能力，从而提升封装器件性能．10.13245/j.hust.241201.F016图16内嵌陶瓷转接板的印刷电路板[82]Tong等[83]研发了一种用于功率芯片散热的集成微铜管陶瓷转接板，如图17所示，通过焊接工艺将一组紧密排列的微铜管集成于陶瓷转接板表面形成微通道．实验表明：以纯水作为冷却介质，可满足405 W/cm2的高热流密度散热需求，热源LED温度降低69.20%(206 ℃降低至63.5 ℃)，光效提升62.13%(8.53 W升高至13.83 W)，该结构具有高集成和高可靠性等优势．10.13245/j.hust.241201.F017图17集成微铜管的陶瓷转接板[83]Li等[84]在陶瓷转接板背面线路层上制备片上热电制冷器，如图18所示，降低了封装界面热阻，促进芯片热量高效散发到周围环境中，将芯片温度降低51%，显著提高了热电制冷器性能．10.13245/j.hust.241201.F018图18采用陶瓷转接板制备片上热电制冷器[84]2 陶瓷转接板应用陶瓷转接板具有优异的导热、耐热和绝缘特性，非常适合功率器件封装．借助陶瓷转接板可以实现芯片与芯片、芯片与基板垂直互连，满足系统的功能集成、异构集成和微型化需求；陶瓷转接板多层布线和通孔互连有助于增加封装设计灵活性，可以任意组合出多种模块或知识产权核(IP核)．因此，在固态光源、激光器(激光二极管(laser diode，LD)和垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser，VCSEL))、电力电子(绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)和金属-氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET))、微波射频(radio frequency，RF)、热电制冷(thermoelectric cooler，TEC)和高温传感(微机电系统(micro-electro-mechanical system，MEMS))等领域得到广泛应用．2.1　发光二极管封装目前发光二极管的芯片功率不断增加，超高亮度发光二极管的应用面不断扩大，散热与长期可靠性问题变得日益突出，热失效成为发光二极管失效的主要原因．因此，大功率发光二极管对封装提出了更高要求：a．气密封装，通过围坝结构为芯片提供保护，防止芯片长期暴露在空气中或受到机械损伤而失效；b．良好的光提取效率，采用表面粗糙度较低的围坝结构，增加侧壁的光提取能力；c．高散热效率，利用封装材料的高导热和散热能力，将芯片热量快速散出；d．无机封装，避免有机硅胶在深紫外发光二极管的照射下的光解变质现象[85]；e．可共晶，表面线路层平坦且耐高温，适应共晶芯片的使用要求[86]．陶瓷转接板恰好满足上述需求，其表面金属围坝由电镀工艺制备，围坝上的台阶结构可以放置透镜，实现气密封装；电镀金属铜具有较低表面粗糙度，经过表面处理工艺后，可以增加对发光二极管光线的反射率；铜和陶瓷材料均具备优良导热性能，陶瓷转接板为一体化制备，且在封装过程中几乎不使用热界面材料，有助于提高封装整体散热性能；陶瓷转接板为全无机封装结构，通过石英盖板等代替有机硅胶材料，保证封装长期可靠性；线路层为电镀制备，经研磨后，表面粗糙度较低，可以达到镜面光亮，而且能够耐受较高的工艺温度，满足芯片共晶贴片需求．此外，陶瓷转接板可以直接封装倒装和垂直芯片，通过垂直通孔实现芯片与背面线路层互连，这种工艺大大降低封装成本，已被大多数厂商采用．在众多陶瓷材料中，氧化铝和氮化铝陶瓷在发光二极管封装中的应用最为广泛．特别是氮化铝陶瓷具有高绝缘、耐高温和耐腐蚀性能，其热膨胀系数与硅匹配，非常适合作为大功率发光二极管的封装基板材料．随着自动化工艺的进一步发展，陶瓷转接板成本逐渐降低，预计未来将成为市场上使用最广泛的发光二极管封装基板[87-91]，如图19所示．10.13245/j.hust.241201.F019图19陶瓷转接板封装倒装发光二极管芯片对于正装芯片，陶瓷转接板中的垂直通孔结构还可以用作导热通孔．Xu等 [92]提出了一种应用陶瓷转接板的深紫外发光二极管封装结构，如图20所示，该结构在氮化铝衬底中采用铜填充的阵列式陶瓷转接板来增强传热．通过有限元热仿真和实验证明，随着陶瓷转接板数量增加，热阻和芯片结温降低．与传统封装结构相比，热阻降低34.6%，在100 mA下工作时，芯片结温降低7.3 ℃，该技术为提高深紫外发光二极管的散热和可靠性提供了一种简单有效的策略．10.13245/j.hust.241201.F020图20陶瓷转接板封装正装发光二极管芯片2.2　微波电路微波电路广泛用于共形天线阵列、智能蒙皮和微纳卫星等产品中．在这些产品中，通常须要在z轴方向集成多个具有不同功能的芯片模块，以形成具有垂直互连结构的多芯片组件．由于微波电路的应用环境复杂，射频裸芯片的应用可靠性较低，须要通过封装提供保护．因此，微波电路对封装要求包括：a．封装材料具有高介电常数、低损耗角正切和良好加工性能；b．封装基板可以多层互连，满足多个射频裸芯片高密度组装要求；c．气密封装，可以通过激光封焊或平行缝焊方式将射频裸芯片封装在微波混合集成电路管壳中，与空气隔绝，从而提高射频裸芯片可靠性[93]．陶瓷材料具有较高的介电常数和优异的可加工性能；陶瓷转接板在射频模块封装和微波器件中展示出了高线路密度、小线宽和低成本等技术优势，并具有优良的低损耗性能．陶瓷转接板通过高精度再布线能够在三维方向上延伸电路，实现多层基板互连[90]；多层基板表面可以集成独立IP核(如封装薄膜电路、无源器件、芯片等)，解决宽带射频垂直传输、高精度器件和无源器件集成等问题；铜线路层通过图形电镀工艺制备，具有较高精度，能够满足激光封焊的加工需求．同时，陶瓷转接板还可以提高结构密度和减小器件尺寸，为微波电路系统集成提供有力支持[94-95]．2.3　绝缘栅双极型晶体管封装绝缘栅双极型晶体管是电力电子变换的核心元件，在轨道交通、新能源汽车、军工航天、工业机器等领域广泛应用．随着我国高铁、航空航天和混合动力汽车的飞速发展，绝缘栅双极型晶体管的输出功率增高，发热量增大，散热不良将损坏绝缘栅双极型晶体管芯片．因此，在使用时通常须要将多个绝缘栅双极型晶体管芯片集成封装为模块．绝缘栅双极型晶体管对封装的要求主要包括：a．大幅提高模块的功率密度，通过多层堆叠和垂直互连增加封装集成度；b．高效的热管理方式，绝缘栅双极型晶体管模块在工作中会产生较多热量，有效的热管理对于模块的寿命和稳定性至关重要，须要使用高导热材料(如铝、铜、陶瓷等)，或者集成高散热效率的冷却系统，降低芯片与散热结构之间的热阻；c．高可靠性和质量稳定性，材料匹配，降低互连失效概率．陶瓷转接板可实现垂直堆叠和集成，显著提高绝缘栅双极型晶体管模块功率密度；它还能与热电制冷器和液冷微流道等散热结构集成，实现高效的热管理；陶瓷材料与硅基芯片的热膨胀系数匹配，可以减少绝缘栅双极型晶体管模块工作中的热失配问题；使用填铜的垂直通孔代替铝线或铜线键合，可以显著提高互连可靠性．此外，相较于其他陶瓷基板(如直接键合陶瓷基板、高/低温共烧陶瓷基板)，陶瓷转接板提供了更好的金属/陶瓷界面稳定性和界面均匀性．通过优化陶瓷转接板材料与铜层厚度，可以满足不同绝缘栅双极型晶体管散热需求[86]．2.4　垂直腔面发射激光器封装随着5G通信和车用激光雷达产业需求的增加，垂直腔面发射激光器作为一种半导体激光器，已成为新一代光存储和光通信应用核心器件，广泛用于手机感测、车用传感器光达、武器装备和光纤传输中．然而，由于垂直腔面发射激光器芯片采用垂直结构，且转化效率较低，发热量显著提高．此外，激光长期照射有机封装材料会导致材料老化失效等一系列可靠性问题．因此，垂直腔面发射激光器对封装的要求为：a．无机气密封装结构；b．高散热效率；c．热膨胀系数与砷化镓芯片匹配；d．可垂直共晶焊接芯片；e．高可靠性．陶瓷转接板具有高解析度、高平整度和高可靠垂直互连等技术优势，更适用于垂直共晶焊接；陶瓷材料具备高导热、高绝缘、热膨胀系数与芯片匹配等特性，显著提高激光器的散热效率．金属围坝与陶瓷基板一体化制备，结合紧密，无需额外的粘贴工序，避免了胶水老化带来的可靠性问题，完全满足垂直腔面发射激光器封装需求[96-98]．2.5　热电制冷器封装热电制冷器是一种基于帕尔贴效应的固态制冷装置，用于局部热点主动散热．热电粒子通过陶瓷转接板线路层实现电互连，散热效率较高，如图21所示．随着热电制冷器向着微型化发展，对封装提出了更高要求，包括：a．高平面度，基板平面度需要控制在10 μm以内，保证热电制冷器内部粒子高度一致性，以实现良好焊接质量；b．高图形精度，微型热电制冷器粒子尺寸通常小于0.1 mm，需要基板线路层图形具有小线宽/线距；10.13245/j.hust.241201.F021图21陶瓷转接板封装热电制冷器件c．低表面粗糙度，提高固晶质量；d．多层基板间可垂直互连，代替热电制冷器外部引线连接，提高封装集成度和可靠性．陶瓷转接板是热电制冷器的理想封装基板，其在制备过程中经过砂带研磨、数控研磨、陶瓷刷磨和化学机械抛光等多道工序，保证了较高平面度(图形厚度极差10 μm)和较低表面粗糙度(Ra0.1 μm，Rz0.3 μm)，可满足粒子共晶焊接需求；通过图形转移和图形电镀工艺，可获得较高的表面线路层图形精度(线宽/线距30 μm)，满足微型粒子贴装需求．陶瓷转接板取代了传统多级热电制冷器片外互连方式，提高了器件集成度和可靠性[99]．2.6　高温传感器封装武器装备、航空航天、高效光伏系统、核电设备等领域电子器件通常会面对高温(200～500 ℃)、高功率、高频等极端工作环境，并保证较大的输入阻抗、较高的开关速率和较低导通电阻．由于封装技术是限制半导体器件工作温度和性能的重要因素，而耐高温封装系统的基本结构由芯片、互连材料、封装基板构成，因此对以上结构提出了更为严苛的要求，包括：a．导通电阻小，导电能力强；b．足够的高温力学强度，较小热膨胀失配；c．高散热效率[100]．陶瓷转接板是高温传感器封装首选．在较高的环境温度下(300 ℃)，仍然具有优良热稳定性；通孔由低电阻率铜材料完整填充，互连电阻小；陶瓷材料与半导体芯片材料热膨胀系数相近，可以缓解热膨胀失配问题；陶瓷转接板具有优良的导热、散热能力，还可以一体化集成多种主动散热技术，显著提升散热效率．陶瓷转接板与钎焊、纳米银低温烧结、固液扩散连接等低热阻互连方式具有较好的兼容性，进一步提升了封装体耐热性和热稳定性．传感器芯片一般倒装在陶瓷转接板上，封装内部热膨胀系数匹配有助于提高芯片的灵敏度，内部垂直通孔则显著提高了传感器的封装集成度[101]．本课题组刘佳欣等[102]以陶瓷转接板为封装基板，可伐合金为封装盖板，金锡合金(Au80Sn20)为焊接材料(见图22)，克服了传统高/低温共烧陶瓷基板线路图形精度低、载流能力小等问题，实现了高精度、高集成度、耐高温微系统气密封装，满足了器件在高温环境下长期可靠工作的要求．10.13245/j.hust.241201.F022图22陶瓷转接板封装高温电子器件[102]3 结语转接板技术是延续摩尔定律的关键．相比于硅转接板，陶瓷转接板不仅具有热导率高、绝缘性好的材料优势，还具有制备工艺简单、可靠性高等技术优势，有望成为大功率、高性能器件封装用首选基板材料，市场潜力巨大．本文简要概述了陶瓷转接板发展历史，相比于高/低温共烧陶瓷基板，陶瓷转接板具有图形精度高、可垂直互连、工艺兼容性好等优势；详细分析了陶瓷转接板的关键制备工艺，包括激光打孔、种子层沉积、垂直通孔电镀填充、厚铜图形电镀、表面研磨等，以及对部分工艺的优化和创新成果；总结了陶瓷转接板制备的相关问题和挑战，以及该技术和产品的相关应用．目前，陶瓷转接板技术发展的主要挑战如下．a．高厚径比陶瓷转接板垂直通孔制备方法．磁控溅射工艺可以获得较好的表面质量和结合力，在厚径比超过10∶1的情况下，易出现孔中心无铜的缺陷．b．陶瓷转接板垂直通孔无缺陷填充技术．针对极低和极高厚径比垂直通孔电镀填充，须要研发新型高效电镀液配方，并探索快速电镀填充新方法．c．转接板内应力控制．在复杂载荷条件下的异质集成系统中，无法避免应力失配问题，从而严重影响器件可靠性．为了应对上述挑战，未来研究方向包括：对陶瓷转接板的结构参数、材料选择、集成工艺等进行全面优化，结合应力-应变模拟探究陶瓷转接板内部应力演变规律；开发并完善陶瓷转接板电镀工艺；研发新型高效集成散热技术；结合复合材料性能优势提升陶瓷转接板综合性能．