陈明祥：十年磨一剑，突破陶瓷基板“卡脖子”技术
日期：2023-03-23 04:14
经过封装之后，芯片如同历经洗礼，变成了人们熟知的各种电子器件。说起封装技术，就不能不提到美国国家工程院院士、中国工程院外籍院士、香港科学院创院院士汪正平。早在20世纪七十年代，汪正平院士创新性采用聚合物材料封装集成电路（IC）芯片（简称“塑封技术”），克服了传统陶瓷和金属封装重量大、工艺复杂、成本高等问题，被Intel、IBM等全面推广，目前塑封技术占全球IC封装市场95%以上。由于其在封装技术研发方面的卓越贡献，汪正平院士多次荣获电子封装领域的荣誉奖项，被誉为“现代半导体封装之父”。2011年，武汉利之达科技股份有限公司（以下简称“利之达”）创立，只不过，利之达需要突破的，是电子封装用陶瓷基板这一赛道。这一定律是Intel创始人之一戈登·摩尔的经验之谈，其核心内容为：集成电路上可以容纳的晶体管数目，在大约每经过18到24个月便会增加一倍。换言之，处理器性能大约每两年翻一倍，同时价格下降为之前的一半。2022年9月8日，苹果发布最新iPhone14手机，其高端产品搭载的A16芯片，已使用4纳米制程，晶体管数量多达160亿个，再创新纪录。“随着芯片功率越来越大，集成度越来越高，散热是个大问题。如果不及时散热，芯片很可能会烧坏。”利之达创始人陈明祥说，“对于光电器件来说，温度每升高10℃，其寿命则会降低30%-50%。”他介绍，目前广泛使用的印刷线路板（PCB）采用高分子材料，“通俗来讲就是塑料，其导热和耐热能力较差，而陶瓷材料具有高导热、高耐热、高绝缘、低热胀、耐腐蚀等特点，技术优势明显。”“制造陶瓷基板并不难，但它需要优化材料配方与工艺，需要长时间经验积累，很多上市公司想做，但实际很难做出来。”由于技术门槛高，陶瓷基板全球市场高度集中。据公开资料显示，全球前十大供应商占有80%以上市场份额，其中日本京瓷、美国罗杰斯、中国台湾同欣电子等处于市场领先地位。从市场需求来看，国内陶瓷基板（特别是高端产品）一直依赖进口，属于典型的“卡脖子”技术。历时多年的自主研发和产学研合作，利之达终于掌握了电镀陶瓷基板（DPC）全套制备技术，并实现批量生产和出货，突破“卡脖子”。封装时，将芯片放在基板上，基板可以起到支撑芯片、给芯片供电、解决芯片散热等作用，因此，基板性能对器件质量影响极大。利之达自主研发的电镀陶瓷基板（DPC）技术，利用激光打孔、电镀填孔和图形电镀等工艺，将铜沉积于陶瓷基片表面，其工艺结合了材料学、半导体、电化学、激光加工等技术，对材料控制与工艺技术整合能力要求极高。“我们的陶瓷基板，采用半导体工艺制作，精度较高，线宽、线距可以做到50微米左右。”陈明祥介绍。目前，市场水平普遍在100-200微米。同时，与市场上只能做单面陶瓷基板相比，利之达可以做双面和多层陶瓷基板，利用激光在陶瓷片上打孔，通过电镀实现陶瓷片正反面互连，实现垂直集成。陈明祥打比方说，原来只能做平房，现在我们的工艺解决了电梯问题，就可以做楼房了。从工艺来看，传统陶瓷基板需要近1000℃的高温来制备，而利之达的创新技术，仅需不到300℃，降低了成本，提高了工艺兼容性。“有了更好的散热性能，更高的集成度，这些封装技术创新，将有助于半导体行业进一步挑战‘摩尔定律’极限。”陈明祥说。近年来，利之达公司获科技部中小企业创新基金、湖北省科技创新重点项目、武汉市科技成果转化重大项目、武汉东湖高新区“3551光谷人才计划”等资助；已申请和授权国家发明专利20余项，项目技术荣获 2016 年国家技术发明二等奖和2020年湖北专利奖银奖。2019年底，利之达DPC陶瓷基板项目在孝昌投产。“眼下年产能是60万片，产品供不应求，已进入多家上市公司采购名录。我们现在正在谋划二期，把产能提升到200万片。”目前，利之达出货的DPC陶瓷基板，主要应用在LED封装领域，包括半导体照明（白光LED）和杀菌消毒（深紫外LED）。由于LED芯片电光转化效率较低，大部分电能转化成废热，因此必须解决LED散热问题，否则直接影响LED器件光效与寿命。眼下，新能源汽车、人工智能等新兴产业迅速崛起，高性能陶瓷基板需求将越来越大。“应该说，陶瓷基板与目前广泛使用的PCB基板，应用领域各有侧重。”陈明祥说，陶瓷基板主要应用于功率半导体、高温电子器件封装。比如，汽车电子尤其是汽车发动机附近的高温传感器、航空航天器件、半导体激光器、热电制冷器（TEC）、电力电子（IGBT）等。“这些应用将前景无限。”陈明祥特别提到，陶瓷基板与正在“风起”的第三代半导体，是最佳搭档。21世纪以来，以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化锌（ZnO)、金刚石为代表的第三代半导体材料开始初露头角。由于第三代半导体材料具有更大的禁带宽度、更高的耐热性，更适合于制作高温、高频及大功率电子器件，在光电子和微电子领域具有重要的应用价值。目前，市场火热的5G基站、新能源汽车和快充等都是第三代半导体的重要应用领域。“陶瓷基板能很好地匹配第三代半导体的高温、大功率等特性。”“基础原材料研发需要大量投入，尽管当下国内市场氛围还是早期，但我们坚定看好它的未来。”陈明祥信心满满。纵观全球陶瓷封装市场，公开数据显示，日本占据近50%市场份额，美国和欧洲分别占据约20%和10%，中国占有率仅在10%左右。可喜的是，近年来我国陶瓷封装市场正迅猛发展。2014年我国陶瓷封装市场规模仅为347亿元，2023年有望达到1150亿元，年复合增长率约为14.3%。“电子封装是一个典型的跨学科领域，涉及材料、热学、电学、光学、力学（机械）、半导体等专业。”正是跨学科的背景，成就了陈明祥。陈明祥本科和硕士就读于武汉理工大学材料学院，本科专业方向是水泥，硕士改学粉体工程。研究生毕业后参与三峡工程建设，一干就是六年，期间研发的水泥湿磨机解决了三峡大坝基础灌浆的难题。2002年，他考取华中科技大学光电系博士生，开始接触电子封装技术。博士毕业时，导师团队需要一位懂材料专业的成员，陈明祥选择了留校，专业从事电子封装技术研究。工作不久，导师推荐他到美国佐治亚理工学院封装研究中心从事博士后研究，合作导师就是汪正平院士。留学回国后，他将研究方向聚焦于高性能陶瓷基板技术研发。2015年底，陈明祥带领团队成功研发出DPC陶瓷基板样品，后历时两年完成中试。“那时我们只有技术，接不到订单，过得非常艰难。”但是陈明祥始终认为，既然做就要做好，于是他积极寻找资源，以合伙人制度管理公司。2018年10月，利之达DPC陶瓷基板项目获武汉科创投资基金、广东国民创业投资基金、武汉光谷烽火创投等基金3000万元投资。“那时，我们公司团队开始稳定，懂技术、懂管理的人都有，公司结构趋于合理。”可谁知，2019年10月项目投产不久，新冠疫情发生，工厂被迫停工半年，损失惨重。“都说开办公司容易，注销公司很难，最后只有咬牙坚持下去。”正是凭着这股劲儿，陈明祥从未选择放弃，积极寻找解决方案，最终与几个合伙人共同出资才渡过难关。“2021年，是公司第一个完整的经营年度，销售额达2000多万元，基本实现盈亏平衡，这很不容易。应该说，公司最艰难的时候已经过去了。”陈明祥介绍，2022年公司销售额至少可达3500万元，实现盈利。这一年，利之达受到多路资本青睐，他们频频与陈明祥接触。“现在都是线上路演。什么叫融资？就是把一个PPT讲上一百遍，每次还要充满激情地讲。”陈明祥打趣地说，他一直从事技术科研，之前性格非常内向。“我刚毕业派到三峡工地，要跟业主、监理、包工头打交道，我晚上觉都不敢睡，因为第二天要去跟人打交道，不知道怎么办。”回首这段创业过程，陈明祥表示这也是自己成长的过程。为了更好地管理公司，他报名参加了很多培训活动，学习公司治理、股权设计、企业融资甚至心理学等相关知识。“目前半导体产业投资重点逐渐转向基础材料与核心装备，但材料研发是一个漫长的过程，大家要有耐心，慢一点，方能行稳致远。” 陈明祥补充道。
来源丨光电工研院
