中國粉體網(wǎng)訊  隨著功率器件特別是第三代半導體的崛起與應用,，半導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。陶瓷基板具有熱導率高,、耐熱性好,、熱膨脹系數(shù)低、機械強度高,、絕緣性好,、耐腐蝕、抗輻射等特點,，在電子器件封裝中得到廣泛應用。

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，首先要明白陶瓷基板對材料有哪些要求,。

(1)熱導率高,，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)機械強度高，滿足器件封裝與應用過程中力學性能要求,；

(6)耐腐蝕性好,，能夠耐受強酸、強堿,、沸水,、有機溶液等侵蝕；

(7)結構致密,，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，目前應用最成熟,。Al2O3原料豐富,、價格低，強度,、硬度高,，耐熱沖擊，絕緣性,、化學穩(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，但所需的燒結溫度也升高,，制造成本相應提高,。在Al2O3中摻入Ag、Ag-Pd等金屬導體或低熔玻璃,，既可以降低燒結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構(Wurtzite)。由于BeO具有纖鋅礦型和強共價鍵結構,，而且相對分子質(zhì)量很低，因此，BeO具有極高的熱導率,。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的熱導率最高,，比Al2O3陶瓷高一個數(shù)量級,。純度為99%以上、致密度達99%以上的BeO陶瓷,，其室溫熱導率可達310W/(m·K),，與金屬材料的熱導率十分相近。而且隨著BeO含量的提高,，其熱導率增大,。

3、SiC

碳化硅陶瓷基板的熱導率在室溫可高達270W/(m·K),，是良好的導熱材料,，而且其熱膨脹系數(shù)與常用的LED沉底材料藍寶石的熱膨脹系數(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,，SiC的莫氏硬度為9.75,，機械強度高。綜述以上優(yōu)點,，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：Al2O3的熱導率低,，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基板熱導率在高溫時會隨著溫度的升高明顯下降,，嚴重影響產(chǎn)品性能。另外,，不良的絕緣耐壓性也阻礙了其在LED領域中的發(fā)展,。碳化硅的介電常數(shù)較高，會導致信號延遲,，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,，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陶瓷晶體結構復雜,，對聲子散射較大，因此早期研究認為其熱導率低,，如Si3N4軸承球,、結構件等產(chǎn)品熱導率只有15W/(m·K)~30W/(m·K)。但是,，通過研究發(fā)現(xiàn),，Si3N4材料熱導率低的主要原因與晶格內(nèi)缺陷、雜質(zhì)等有關,，并預測其理論值最高可達320W/(m·K),。之后，在提高Si3N4材料熱導率方面出現(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,、對金屬的化學惰性、超高的硬度和斷裂韌性等力學性能,。Si3N4陶瓷的抗彎強度,、斷裂韌性都可達到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：

（1）氮化鋁的導熱率較高,，室溫時理論導熱率最高可達320W/(m·K),，是氧化鋁陶瓷的8～10倍，實際生產(chǎn)的熱導率也可高達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）氮化鋁為纖鋅礦結構,，以很強的共價鍵結合，所以具有高硬度和高強度,，機械性能較好,。另外，氮化鋁具有較好的化學穩(wěn)定性和耐高溫性能,，在空氣氛圍中溫度達1000℃下可以保持穩(wěn)定性,，在真空中溫度高達1400℃時穩(wěn)定性較好，有利于在高溫中燒結,，且耐腐蝕性能滿足后續(xù)工藝要求,。

總結

在現(xiàn)有可作為基板材料使用的陶瓷材料中，Si3N4陶瓷抗彎強度最高,，耐磨性好,，是綜合機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。但是其制備工藝復雜,，成本較高,，熱導率偏低，主要適合應用于強度要求較高但散熱要求不高的領域。

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領域大面積應用指日可待。

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）

注：圖片非商業(yè)用途,，存在侵權告知刪除