中國粉體網(wǎng)訊  隨著功率器件特別是第三代半導(dǎo)體的崛起與應(yīng)用，半導(dǎo)體器件逐漸向大功率,、小型化,、集成化、多功能等方向發(fā)展,，對封裝基板性能也提出了更高要求,。陶瓷基板具有熱導(dǎo)率高、耐熱性好,、熱膨脹系數(shù)低,、機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性好,、耐腐蝕,、抗輻射等特點(diǎn)，在電子器件封裝中得到廣泛應(yīng)用。

目前,，常用電子封裝陶瓷基片材料包括氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN),、氮化硅(Si3N4)、氧化鈹(BeO),、碳化硅（SiC）等。那么,，誰才是最有發(fā)展前途的封裝材料呢？

陶瓷基板對材料的要求

要在幾種陶瓷基板材料中分出勝負(fù),，首先要明白陶瓷基板對材料有哪些要求,。

(1)熱導(dǎo)率高，滿足器件散熱需求,；

(2)耐熱性好,，滿足功率器件高溫(大于200°C)應(yīng)用需求；

(3)熱膨脹系數(shù)匹配,，與芯片材料熱膨脹系數(shù)匹配,，降低封裝熱應(yīng)力；

(4)介電常數(shù)小,，高頻特性好,，降低器件信號傳輸時間，提高信號傳輸速率,；

(5)機(jī)械強(qiáng)度高,，滿足器件封裝與應(yīng)用過程中力學(xué)性能要求；

(6)耐腐蝕性好,，能夠耐受強(qiáng)酸,、強(qiáng)堿、沸水,、有機(jī)溶液等侵蝕,；

(7)結(jié)構(gòu)致密，滿足電子器件氣密封裝需求,。

Al2O3,、BeO、SiC對比

1,、Al2O3

Al2O3陶瓷基片綜合性能較好,，目前應(yīng)用最成熟。Al2O3原料豐富,、價格低,，強(qiáng)度,、硬度高，耐熱沖擊,，絕緣性,、化學(xué)穩(wěn)定性、與金屬附著性良好,。目前Al2O3是陶瓷基片主要材料,。增加基片中Al2O3的含量，可以提高其綜合性能,，但所需的燒結(jié)溫度也升高，制造成本相應(yīng)提高,。在Al2O3中摻入Ag、Ag-Pd等金屬導(dǎo)體或低熔玻璃,，既可以降低燒結(jié)溫度又可以減小介電常數(shù),。

2,、BeO

BeO晶體的晶格常數(shù)為a=2.695Å，c=4.390Å,，是堿土金屬氧化物中唯一的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)(Wurtzite),。由于BeO具有纖鋅礦型和強(qiáng)共價鍵結(jié)構(gòu)，而且相對分子質(zhì)量很低,，因此,，BeO具有極高的熱導(dǎo)率。據(jù)中國粉體網(wǎng)編輯了解,，在現(xiàn)使用的陶瓷材料中,，室溫下BeO的熱導(dǎo)率最高，比Al2O3陶瓷高一個數(shù)量級,。純度為99%以上,、致密度達(dá)99%以上的BeO陶瓷，其室溫?zé)釋?dǎo)率可達(dá)310W/(m·K),，與金屬材料的熱導(dǎo)率十分相近,。而且隨著BeO含量的提高，其熱導(dǎo)率增大,。

3,、SiC

碳化硅陶瓷基板的熱導(dǎo)率在室溫可高達(dá)270W/(m·K)，是良好的導(dǎo)熱材料，而且其熱膨脹系數(shù)與常用的LED沉底材料藍(lán)寶石的熱膨脹系數(shù)5.8×10-6/K接近,，還具備高彈性模量（450GPa）和相對低密度（3.2g/cm3）的優(yōu)點(diǎn),，SiC的莫氏硬度為9.75，機(jī)械強(qiáng)度高,。綜述以上優(yōu)點(diǎn),，SiC基板適合做大功率LED基板材料。

長期以來,，Al2O3和BeO陶瓷是大功率封裝兩種主要基板材料,。但這兩種基板材料都有很大的缺點(diǎn)：Al2O3的熱導(dǎo)率低，熱膨脹系數(shù)與芯片材料不匹配,；BeO雖然具有優(yōu)良的綜合性能，但生產(chǎn)成本較高而且有劇毒,。

此外,，SiC基板熱導(dǎo)率在高溫時會隨著溫度的升高明顯下降，嚴(yán)重影響產(chǎn)品性能,。另外,，不良的絕緣耐壓性也阻礙了其在LED領(lǐng)域中的發(fā)展,。碳化硅的介電常數(shù)較高,，會導(dǎo)致信號延遲,，影響產(chǎn)品的可靠性。此外,，SiC屬于共價鍵化合物,，所以碳化硅陶瓷較難燒結(jié),，必須通過添加少量鈹、硼、鋁及其化合物使其致密度提高,。

因此，從性能,、成本和環(huán)保等方面考慮,，這三種基板材料均不能作為今后大功率LED器件發(fā)展最理想材料,。

Si3N4與AlN的終極對決

1,、Si3N4

Si3N4陶瓷基片彈性模量為320GPa,，抗彎強(qiáng)度為920MPa,，熱膨脹系數(shù)僅為3.2×10-6/°C，介電常數(shù)為9.4，具有硬度大,、強(qiáng)度高熱膨脹系數(shù)小、耐腐蝕性高等優(yōu)勢,。由于Si3N4陶瓷晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,，對聲子散射較大,，因此早期研究認(rèn)為其熱導(dǎo)率低,，如Si3N4軸承球、結(jié)構(gòu)件等產(chǎn)品熱導(dǎo)率只有15W/(m·K)~30W/(m·K),。但是，通過研究發(fā)現(xiàn),，Si3N4材料熱導(dǎo)率低的主要原因與晶格內(nèi)缺陷、雜質(zhì)等有關(guān),，并預(yù)測其理論值最高可達(dá)320W/(m·K),。之后,，在提高Si3N4材料熱導(dǎo)率方面出現(xiàn)了大量的研究,，通過工藝優(yōu)化,，氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率不斷提高，目前已突破177W/(m·K),。

此外,，與其他陶瓷材料相比,，Si3N4陶瓷材料具有明顯優(yōu)勢,，尤其是在高溫條件下氮化硅陶瓷材料表現(xiàn)出的耐高溫性能,、對金屬的化學(xué)惰性,、超高的硬度和斷裂韌性等力學(xué)性能,。Si3N4陶瓷的抗彎強(qiáng)度,、斷裂韌性都可達(dá)到AlN的２倍以上,，特別是在材料可靠性上,，Si3N4陶瓷基板具有其他材料無法比擬的優(yōu)勢,。

2,、AlN

氮化鋁是兼具良好的導(dǎo)熱性和良好的電絕緣性能少數(shù)材料之一,，且具備以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）氮化鋁的導(dǎo)熱率較高,，室溫時理論導(dǎo)熱率最高可達(dá)320W/(m·K),，是氧化鋁陶瓷的8～10倍，實際生產(chǎn)的熱導(dǎo)率也可高達(dá)200W/(m·K),，有利于LED中熱量散發(fā),，提高LED性能,；

（2）氮化鋁線膨脹系數(shù)較小，理論值為4.6×10-6/K,，與LED常用材料Si,、GaAs的熱膨脹系數(shù)相近,，變化規(guī)律也與Si的熱膨脹系數(shù)的規(guī)律相似,。另外,，氮化鋁與GaN晶格相匹配,。熱匹配與晶格匹配有利于在大功率LED制備過程中芯片與基板的良好結(jié)合,，這是高性能大功率LED的保障。

（3）氮化鋁陶瓷的能隙寬度為6.2eV,，絕緣性好，應(yīng)用于大功率LED時不需要絕緣處理,，簡化了工藝,。

（4）氮化鋁為纖鋅礦結(jié)構(gòu),，以很強(qiáng)的共價鍵結(jié)合，所以具有高硬度和高強(qiáng)度,，機(jī)械性能較好,。另外，氮化鋁具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐高溫性能,，在空氣氛圍中溫度達(dá)1000℃下可以保持穩(wěn)定性,，在真空中溫度高達(dá)1400℃時穩(wěn)定性較好,，有利于在高溫中燒結(jié),，且耐腐蝕性能滿足后續(xù)工藝要求,。

總結(jié)

在現(xiàn)有可作為基板材料使用的陶瓷材料中,，Si3N4陶瓷抗彎強(qiáng)度最高，耐磨性好,，是綜合機(jī)械性能最好的陶瓷材料,，同時其熱膨脹系數(shù)最小，因而被很多人認(rèn)為是一種很有潛力的功率器件封裝基片材料,。但是其制備工藝復(fù)雜,，成本較高，熱導(dǎo)率偏低,，主要適合應(yīng)用于強(qiáng)度要求較高但散熱要求不高的領(lǐng)域,。

而氮化鋁各方面性能同樣也非常全面，尤其是在電子封裝對熱導(dǎo)率的要求方面,，氮化鋁優(yōu)勢巨大,。唯一不足的是，較高成本的原料和工藝使得氮化鋁陶瓷價格很高,，這是制約氮化鋁基板發(fā)展的主要問題,。但是隨著氮化鋁制備技術(shù)的不斷發(fā)展，其成本必定會有所降低,，氮化鋁陶瓷基板在大功率LED領(lǐng)域大面積應(yīng)用指日可待。

參考來源：

[1]程浩,，陳明祥等.電子封裝陶瓷基板

[2]鄭彧.高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板材料研究現(xiàn)狀

[3]湯濤等.電子封裝材料的研究現(xiàn)狀及趨勢

[4]鄺海.大功率LED中常用陶瓷基板研究

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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