摘要：以高性能计算、汽车传感、电气化、电力电子以及5G/6G 通信基础设施为代表的核心技术应用驱动力在未来十年及更长的周期内，对封装材料提出了显著改进需求，以实现系统性能的提升。如图 8.1 所示，6G 对数据带宽日益增长的需求，推动了对更高频率的需求。

半导体材料、半导体器件衬底及产业链生态系统

8.1 引言

以高性能计算、汽车传感、电气化、电力电子以及5G/6G 通信基础设施为代表的核心技术应用驱动力在未来十年及更长的周期内，对封装材料提出了显著改进需求，以实现系统性能的提升。如图 8.1 所示，6G 对数据带宽日益增长的需求，推动了对更高频率的需求。

具体而言，电力电子/电气化：面向电动汽车、电池管理等大功率应用，器件正逐步向氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）基转型，这需要新型封装材料具备更高的耐高温性、耐工作电压性，同时兼具高可靠性和绝缘性。为在全球市场中竞争，还需采用具有更优规模经济效益的大尺寸封装形式（如基于面板的封装）以及厚铜层。

太赫兹以下毫米波（Sub-THz mmWave）：更高射频频率的发展需求，推动了面向5G/6G 通信的材料研发，包括用于封装天线（AiP）和汽车传感应用的材料。这些材料需具备低损耗特性，并搭配相应的散热解决方案。

高性能计算：为降低内存延迟，相关架构需要新型中介层、衬底和散热解决方案，以实现更高水平的信号隔离、更低的信号损耗和更优的热管理。除服务器应用外，材料还需满足L4/L5 级自动驾驶计算应用对汽车级可靠性和成本的要求。

封装材料涵盖将器件连接至专用印刷电路板（PCB）的所有组件，包括衬底、中介层（有机、无机材料，如硅和玻璃基）、芯片黏合剂、底部填充料、互连件、焊球、封装材料，以及用于散热的材料（如盖板、金属块、热界面材料等）。要在特定应用的成本限制内，实现小型化、电气性能（绝缘性、低损耗）、机械性能提升、可加工性、先进散热解决方案及可靠性，就必须大力开展材料研发。

半导体器件衬底是美国国家先进封装制造计划（NAPMP）的重点关注领域。目前正研发三种主要衬底材料方案，分别是有机基衬底、玻璃基衬底和半导体基衬底（含硅芯衬底），旨在实现高密度芯片互连间距，机基衬底为 2 微米，玻璃基衬底为 1 微米，半导体基衬底为 0.5 微米。这些先进封装衬底以高密度、异构集成各类半导体小芯片为目标，旨在提升人工智能（AI）、高性能计算（HPC）等应用的功能、性能和能效。

图8.1：从 4G 到 6G 毫米波：通信频率及带宽趋势

8.2 电力电子/电气化先进封装的材料需求

关键材料的研发需求包括以下方面：先进的散热解决方案，以降低系统成本、重量和尺寸；高电压绝缘性与小型化；随着器件向氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）转型，需具备在更高结温（Tj）下的高可靠性；适用于高电压/大电流的厚层大尺寸加工技术；以及翘曲控制技术，确保该技术满足特定应用的成本要求。

表8.1：电力电子/电气化领域的封装材料性能评估。该评估针对Tier 1材料供应商，不区分地域

8.3 太赫兹以下（Sub-THz）毫米波封装的材料需求

关键材料的研发需求包括以下方面：先进的散热解决方案，需将结温（Tj）控制在 125 摄氏度以下，同时降低系统成本、重量和尺寸；提升太赫兹以下毫米波频率下的射频（RF）性能，以实现封装内置天线（AiP）、封装内置发射端的设计方案；低介电损耗（Df）、低介电常数（Dk）的材料；改进的射频互连方法；更厚的电介质材料；翘曲控制技术；差异性控制技术；加工/老化韧性；能提升板级可靠性的材料。

表8.2：太赫兹以下（Sub-THz）毫米波应用的封装材料性能评估。该评估针对Tier 1材料供应商，不区分地域

8.4 高性能计算封装的材料需求

表8.3：高性能计算应用的封装材料性能评估。该评估针对Tier 1材料供应商，不区分地域

8.5 技术现状及产品案例

电力电子/电气化：与传统硅基IGBT相比，碳化硅（SiC）MOSFET功率器件能帮助电动汽车制造商提升车辆续航里程和系统整体效率。恩智浦针对 RoadPak 碳化硅功率模块推出的 GD3160 半桥评估板（EVB），提供了一款通过车规认证、功率密度高效的新能源汽车（xEV）逆变器解决方案。其性能优势包括：功率器件开关速度快且效率高，实现高低压域间的电气隔离，支持低压域（300 伏）之间的控制及状态通道通信，以及在恶劣嘈杂环境下的稳定运行能力。

太赫兹以下（Sub-THz）毫米波（5G/6G）：通过系统级优化实现减重减容，可更便捷高效地在密集城区和郊区部署 5G 中频段网络，AIR3268 超轻量天线集成无线电设备就是典型案例。该设备重量减轻超 40%，减少了部署所需的基础设施投入。

高性能计算（HPC）：下图8.2 展示了未来数据中心的机架功率及设备最大功率需求。针对这三种不同的系统配置，将通过风冷和液冷两种方式提供热管理支持。

图8.2：高性能计算（HPC）数据中心的散热技术需求。

8.6 现有技术的局限性

太赫兹以下（Sub-THz）毫米波（5G/6G）随着工作频率向太赫兹以下毫米波演进，需要在衬底设计、材料及组装技术方面取得突破，以优化插入损耗和噪声性能。如图 8.3 所示，与标准球栅阵列（BGA）布线技术相比，当频率提升至 20 GHz以上时，会面临一些特定的频率扩展挑战。

图8.3：传统封装布线与20GHz以上均匀微带线的对比，展示了频率提升带来的关键信号完整性挑战。

8.7 面临的挑战、未来需求及可能的解决方案

材料、封装结构和系统级挑战（热学、可靠性、机械性能、电气性能、成本）均取决于应用驱动的需求和趋势。为进一步展开材料开发所需涉及的领域，我们按重点方向列出了相关需求。

8.7.1 电力电子/电气化先进封装

下一代器件技术（从硅向氮化镓、碳化硅过渡）具有更高的工作温度和结温，这推动了以下领域的材料性能提升需求：

热管理：需要开发具有高导热性和高散热能力的材料，以确保大功率器件在恶劣条件下可靠运行。未来需求包括：具有理想电气和机械性能的新型材料，用于减少高热密度（>500 瓦/平方厘米）下的热点；高导热聚合物封装材料；低热阻的热界面材料（TIM）。大功率芯片贴装材料（烧结型）。此外，还需要改进系统级热管理技术，可能包括两相冷却、浸没式冷却液、热管、金刚石薄膜等。

材料电气性能：电气性能的提升需求包括适用于高压应用的高击穿场强（>200 伏/微米）；适用于先进封装的材料，包括堆叠芯片、大功率、高功能性、高压隔离、高相比漏电起痕指数（CTI）的环氧模塑料，以及低介电常数/低介电损耗（Dk/Df）材料，这些材料需能实现高密度布线（低泄漏）并承受高压；小尺寸（如 10 微米），以降低电阻。

高可靠性/机械性能材料：需要具备高粘合强度的可靠胶粘剂，即使在高温（如200°C）和循环载荷下，也能与电介质、金属、引线框架和聚合物界面等多种材料牢固粘合，且性能需超过 AECG0 可靠性要求。具体需求包括：尤其需要改进低翘曲的封装材料，以适用于包括大尺寸在内的各类基板；对于电力应用，需实现厚导体和厚电介质层；需开发可加工性更强的材料，以在集成和老化过程中保持电气性能，包括耐腐蚀材料，用于防止/减轻氯离子等离子造成的腐蚀。除基板外，还需改进材料以提升印刷电路板（PCB）技术，包括：高可靠性、耐高温（150-250°C）、耐高压（>100 伏）、高频、高密度，以及在高温/高湿环境下无腐蚀。

8.7.2 亚太赫兹毫米波封装（5G/6G 及汽车传感）

下一代器件技术的频率提升至100 吉赫兹以上，且工作温度和结温更高，这推动了材料性能的提升需求。

热管理：系统级热管理需要技术改进，例如两相冷却、浸没式冷却液、热管、金刚石薄膜、低热阻高导热的热界面材料（TIM）。

材料电气性能：适用于高频的新型材料（基板、积层材料、互连材料）。能减少射频损耗、提升隔离性能并实现小型化的新型材料；厚电介质层，以实现随频率提升的毫米波系统级封装天线（AiP）射频性能；低损耗、低介电常数（Dk、Df）、性能明确且稳定、与其他封装材料兼容，并能承受恶劣加工和运行环境的材料。此外，还需在介电常数温度系数（TCDk）和介电损耗温度系数（TCDf），以及 300 吉赫兹及以上亚太赫兹毫米波材料的表征方法方面取得进展。性能要求推动了对互连、基板和积层的更小特征尺寸公差（对准偏差、尺寸变化）的需求，包括温度变化带来的影响、可制造性控制方法，以及降低铜迹线粗糙度（如图 8.4 所示）。

图8.4：亚太赫兹毫米波材料性能挑战。

高可靠性/机械性能材料：需开展相关开发工作，包括低翘曲材料，以实现更大的封装尺寸（>20×20 毫米）；能提升系统级封装天线（AiP）结构板级可靠性的材料；因工艺集成和老化导致性能变化最小的材料。

8.7.3 高性能计算

高性能计算需要不同的冷却技术来维持系统和芯片温度。图8.5 的 “功率密度与器件总功率” 图表中，展示了强制风冷和液体冷却等多种冷却技术。

图8.5：高性能计算冷却方法。

在封装与冷却板之间使用热界面材料（TIM）是将热量导出封装的必要措施。对于热界面材料的未来发展路线，胶粘剂供应商必须降低其热阻，同时确保该材料的其他性能（如伸长率、粘合强度、拉伸强度、收缩率等）不会受到过大影响。材料需平衡所有性能，才能满足应用需求。封装尺寸与温度暴露的相互作用导致的封装翘曲，也是选择热界面材料时需解决的挑战。热界面材料需具备收缩等性能，以抵消封装翘曲的影响，并在功率温度循环后保持无空隙状态，从而维持其有效性。高性能计算（HPC）的材料需求如表 8.3 所示，与行业需求一致，但为增加功能性和布线能力，需将线宽和线距降至 2 微米。

随着高性能计算系统采用先进封装解决方案（如晶圆级芯片尺寸封装（CoWOS）、集成扇出封装（InFo）、小芯片（Chiplets）等），并引入先进工艺节点（从 65 纳米到 2 纳米），功率密度也将随之提升，同时还将面临封装/芯片尺寸增大、应用功率负载、系统级功率集成以及系统级组装方案（超出标准外包半导体组装与测试（OSAT）领域）等挑战。所有这些封装挑战均对材料有特定要求（如表 8.3 所示），需要材料供应商予以解决。

行业向自动驾驶（L4/L5 级）软件定义汽车的发展趋势，将对中央计算性能提出更高要求。对低延迟内存的需求，可能需要采用带有硅通孔（TSV）和减薄内存芯片的 2.5D/3D 封装结构，且需达到汽车级质量和可靠性标准，例如工业级（175°C）和汽车级 AECG2 可靠性标准。这将推动对新型材料和工艺的需求。

8.7.4 可能的解决方案：基板

自20 世纪 60 年代以来，硅集成电路已实现批量制造。摩尔定律预测，在量子效应开始影响器件运行之前，每个集成电路上的晶体管数量将持续增加。随着晶体管尺寸不断缩小、数量不断增多，制造这些芯片的晶圆尺寸也在增大。目前，晶圆厂采用 12 英寸直径的硅晶圆制造集成电路。这种大尺寸晶圆的使用，显著降低了每个集成电路和晶体管的成本。

其他材料体系由于生产工艺的差异以及对其集成电路的技术需求滞后，并未实现晶圆尺寸的类似增长。砷化镓（GaAs）材料体系自 20 世纪 60 年代末开始发展，但晶圆直径始终未超过 6 英寸（150 毫米）。未来，对宽带隙材料体系晶体管的需求将不断增加，这将推动更大直径宽带隙晶圆（半导体器件基板）的开发，同时需降低杂质含量和晶体缺陷，以提高该材料体系下器件生产的良率和成本效益。

另一个增长领域是在非本征基板上制造集成电路材料体系的研究。由于硅晶圆的需求巨大，其成本远低于高质量的本征宽带隙材料晶圆。这促使工程师（出于器件开发成本考虑）不断研发更具创新性的方法，在非本征基板上制造器件，尽管这需要解决热变形和晶体变形等问题。短期内，本征晶圆的需求不会接近硅晶圆，但如果不培养对这些材料体系能力和成本优势的需求，就无法充分发挥其潜力。

基板制造方法与技术受多种因素驱动，主要包括以下几点：

1.更大的封装尺寸：封装尺寸不断增大，已超过100×100 毫米，在高性能计算领域尤为明显。

2.混合表面处理需求：由于表面界面不同，目前对混合表面处理的需求日益增加。

3.更高的基板层数：尤其是在高速应用中，为满足功能性需求，需要更高层数的基板。结合封装尺寸增大的趋势，这会带来制造挑战。

4.更精细的布线密度：由于信号布线密度提高，对导线线宽和线距的要求不断降低，目标是小于5 微米。

5.叠层材料（芯材和积层材料）需求：对于高速应用，需要低热膨胀系数（CTE）的材料以缓解应力，同时需要低介电常数和低介电损耗的材料。

6.导通孔堆叠技术：为缩短信号路径，需采用导通孔堆叠技术。随着导通孔堆叠数量增加，应力缓解成为关键问题。

7.无芯基板的应用：无芯基板（也称为嵌入式导线基板）在制造过程中日益普及。从2 层基板向 5 层基板发展时，需额外增加芯层成本，这是制造过程中需克服的挑战。

8.高频封装需求：工作频率在28 吉赫兹以上的高频封装，需要低损耗材料、创新的封装和基板技术，以及基板铜箔的低粗糙度。

基板发展路线图中一些关键的性能要求如表8.4 所示。

表8.4：采用浸渍材料或积层薄膜（即 ABF 膜）的积层基板

玻璃基板技术的发展主要受以下需求驱动：用具备精细特征且成本低于硅中介层技术的基板替代大尺寸有机基板，这在高性能计算应用中尤为突出。

对于高性能计算领域，与有机基板类似，未来五年或更长时间内，将需要更高的层数（从6 层、12 层到 20 层以上）以及更大的尺寸（从 80×80 平方毫米到 150×150 平方毫米）。

由于信号布线密度不断提高，导线线宽和线距的要求正从目前的2 微米降至 0.5 微米。再分布层或积层中的微导通孔直径目标将从目前的 9 微米降至 0.5 微米。未来五年或更长时间内，玻璃通孔（TGV）的直径也将从目前的 110 微米降至 60 微米。随着玻璃芯基板上的层数不断增加，翘曲控制在系统级组装中至关重要。从信号完整性和电源完整性的角度出发，可能需要在基板中不仅嵌入无源器件，还要嵌入有源器件。

表8.5：玻璃芯基板发展路线图

8.7.5 其他挑战与未来需求

微机电系统（MEMS）器件及封装材料发展路线图：材料创新是微机电系统（MEMS）产品性能提升的关键，同时也推动着对制造、材料供应商及研究人员的需求。未来 5-15 年，以下领域的重要进展将是实现制造突破的关键：针对医疗设备开发，需更好地开展材料在弯曲、挠曲、拉伸等方面的特性表征；对于一般传感器，需开展多能量域（而非仅电气域）的特性表征。需通过工艺设计套件（PDK）等标准方法，实现表征材料性能数据的共享，尤其是封装材料的数据。除了改进氮化硅等低应力沉积材料，以及提升防粘、消电、耐磨、防腐蚀等性能的涂层外，还需为惯性、压力、光学微机电系统开发热膨胀系数（CTE）失配度低的材料组合。对于麦克风、致动器、超声设备等使用压电材料的器件，需对材料进行设计，使其在低温下无疲劳，并能实现更厚的涂层。压电材料还需提升工艺稳定性、可重复性、均一性，并降低沉积成本；同时需开发更多无铅材料替代锆钛酸铅（PZT）。需开发磁致伸缩致动器和低功耗电致伸缩材料，以及性能随温度变化稳定、无热滞后的高可靠性材料清单。

微机电系统的材料需求在很大程度上取决于器件的工作原理、功能及其最终应用。未来几年，不同领域的具体需求如下：

在为传感器和致动器引入新型材料时，可能需要改进封装材料，以确保所需的可靠性、温湿度控制能力及耐化学腐蚀性。

光子学：光学器件的需求包括为集成光波导开发低损耗电介质及其他材料（封装剂、模塑料、基板等）。此外，还需开发适用于激光雷达（LiDAR）应用、具有优异近红外（NIR）灵敏度的封装材料。

存储器：面向人工智能（AI）应用的高速存储器已取得重大进展，且不再局限于硅基制造。通过在后端工艺（BEOL）中采用不同沟道材料，双晶体管无电容增益单元得以开发。铁电存储器也是重点开发方向，需通过多种材料体系研发铁电场效应晶体管（FeFET）和铁电随机存取存储器（FeRAM）。随着材料体系的不断发展，自旋转移力矩（STT）和自旋轨道力矩（SOT）存储系统也展现出良好前景。为满足未来人工智能革命对存储容量的需求，这些材料体系需持续发展。

二维场效应晶体管（2DFET）与后端工艺晶体管，过渡金属硫族化合物单层膜和石墨烯是两个重要的研究材料领域，为进一步增加集成电路上的晶体管数量提供了可能。后端工艺是在制造堆叠中制造（非最优）晶体管的另一种方法，也可能提高晶体管密度。

电介质或铁磁材料的增材制造：随着系统对尺寸、重量、功耗和成本（SWaP-C）的要求不断提高，支撑功率转换系统的无源元件需随之发展。具体需求包括电容器领域需持续研发可制造、高介电常数且具有高击穿场强特性的电介质材料。而电感器领域需研发可制造的铁磁材料。随着功率器件开关速度的提升、电磁频谱数据压缩对频率要求的提高，以及低压逻辑器件驱动功率需求的增加，对更小尺寸、更低损耗、更高效率无源元件的需求将持续增长。

环境可持续材料：到2030 年，联网设备数量预计将超过 750 亿台，其在电力消耗和碳足迹方面的环境影响十分显著。全球半导体行业必须通过环境、社会和公司治理（ESG）承诺来应对这一挑战。实现净零排放需要整个供应链的合作与转型，涵盖从原材料开采到直接材料运输要求（如低温存储）、半导体制造需求（电力、用水）、电路板加工，以及最终的产品再利用和回收方法。

除水回收和降低电力消耗外，供应链转型还需开发新型材料和工艺，从设计上实现能源效率和可回收性。具体措施包括：

8.8 半导体供应链生态系统路线图

半导体供应链生态系统涵盖供应链的所有环节，从原材料到晶圆、封装，再到终端微电子器件。供应链本身由独立的、地理上分散的企业组成，包括原材料供应商、零部件供应商、承运人、仓库、分销商以及不同时区、不同国家的客户，且各环节交付周期长。每个企业都有独立的决策主体，这些主体无法获取其他主体的全部数据，只能基于自身决策规则（将可用数据转化为行动的机制）做出决策。这些数据可能存在噪声干扰、延迟或间歇性缺失，且数据互通性也可能成为重大挑战。

事实上，企业因为保护机密信息、竞争优势，以及遵守法律法规等原因，可能不愿共享数据，甚至不愿透露供应商名称。因此，供应链可被视为多主体、去中心化且部分可观测的序贯合作博弈。相比之下，制造工厂通常可被视为具有单一决策主体，且能实时全面掌握系统情况。图8.6 概述了半导体供应链生态系统的高层结构、组成部分及其相互关联性。

图8.6：半导体材料生态系统概述

近几十年来，随着双边和多边贸易协定的激增，以及国际通信和物流成本的降低，供应链逐渐走向全球化。企业在全球范围内寻找廉价原材料和劳动力来源，以通过降低成本提升竞争力。

对于半导体行业而言，特定供应链产能集中在少数国家和地区，以及数量相对较少的大型企业中。表8.6 和图 8.7 详细说明了这些产能在不同地区、国家和企业之间的分布情况。

图8.7：供应链材料生态系统全球化概述。

表8.6：供应链现状概述

过度关注成本而较少考虑风险，使得全球供应链在面对重大中断时，可能容易出现显著的产能下降。未来半导体供应链生态系统的根本挑战是在结构和运营上进行自我改造，展现出竞争力和风险缓解之间的恰当平衡，从而实现繁荣发展。

鉴于半导体行业对国家公共卫生、经济和国防安全的重要性，特别是考虑到该行业需要高资本投资和较长的增加制造能力的前置时间，接下来的额外措施对该行业至关重要。供应链数字孪生、弹性压力测试和分析能力可以为私营和公共部门的利益相关者发挥重要的决策支持作用，帮助他们快速、全面地分析半导体供应链以及更全面的半导体供应链生态系统的替代创新路线图。这一作用包括：（i）确定材料采购方面的差距，以及如何降低供应链上游的风险；（ii）确定如何减少对与令人担忧的外国实体进行半导体制造的提取、加工和活性材料生产的依赖；（iii）确定如何用新材料和半导体化学物质替代有风险的原材料，这将需要以采购风险为导向的研发；以及（iv）材料回收和再利用。

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来源：半导体产业纵横