什么樣的陶瓷基板能滿足半導體封裝基板的要求

半導體行業(yè)迅速發(fā)展，尤其是第三代半導體行業(yè)的發(fā)展，對電子封裝基板也提出了更好的要求。目前陶瓷基板在半導體領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用。那么什么樣的陶瓷基板能滿足半導體封裝基板的要求呢？

一，半導體封裝基板的性能要求

隨著功率器件特別是第三代半導體的崛起與應(yīng)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。

封裝基板主要利用材料本身具有的高熱導率，將熱量從芯片 (熱源) 導出，實現(xiàn)與外界環(huán)境的熱交換。對于功率半導體器件而言，封裝基板必須滿足以下要求：

(1) 高熱導率。目前功率半導體器件均采用熱電分離封裝方式，器件產(chǎn)生的熱量大部分經(jīng)由封裝基板傳播出去，導熱良好的基板可使芯片免受熱破壞。

(2) 與芯片材料熱膨脹系數(shù)匹配。功率器件芯片本身可承受較高溫度，且電流、環(huán)境及工況的改變均會使其溫度發(fā)生改變。由于芯片直接貼裝于封裝基板上，兩者熱膨脹系數(shù)匹配會降低芯片熱應(yīng)力，提高器件可靠性。

(3) 耐熱性好，滿足功率器件高溫使用需求，具有良好的熱穩(wěn)定性。

(4) 絕緣性好，滿足器件電互連與絕緣需求。

(5) 機械強度高，滿足器件加工、封裝與應(yīng)用過程的強度要求。

(6) 價格適宜，適合大規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用。

二，目前電子封裝基板的現(xiàn)狀和問題

      目前常用電子封裝基板主要可分為高分子基板、金屬基板 (金屬核線路板，MCPCB) 和陶瓷基板幾類。對于功率器件封裝而言，封裝基板除具備基本的布線 (電互連) 功能外，還要求具有較高的導熱、耐熱、絕緣、強度與熱匹配性能。因此，高分子基板 (如 PCB) 和金屬基板 (如 MCPCB) 使用受到很大限制；而陶瓷材料本身具有熱導率高、耐熱性好、高絕緣、高強度、與芯片材料熱匹配等性能，非常適合作為功率器件封裝基板，目前已在半導體照明、激光與光通信、航空航天、汽車電子、深海鉆探等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

三，陶瓷基板類型以及特性

陶瓷基板(又稱陶瓷電路板) 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(yīng)用。以下分享各類陶瓷基板的性能特點。

常用的電子封裝陶瓷基板有氧化鋁陶瓷基板(Al2O3)、氮化鋁陶瓷基板(AlN)、氮化硅陶瓷基板(Si3N4)、氧化鈹 (BeO)等。

1，氧化鋁陶瓷基板

      氧化鋁陶瓷基板按純度可以分為95瓷、96瓷、99瓷，核心成分是三氧化二鋁，基材是白色，具有導熱系數(shù)在20w~30w,熱膨脹系數(shù)7.0~8.0，抗彎強度為 300MPa ~ 400 MPa，介電常數(shù)為10，用氧化鋁陶瓷基板的話，價格低廉、絕緣性高、耐熱沖擊、抗化學腐蝕及機械強度高等優(yōu)點，但是氧化鋁陶瓷基板導熱性不是很高，其熱導率相對較低 (99% 氧化鋁熱導率約為 30 W/(m·K)，熱膨脹系數(shù)較高，一般應(yīng)用在汽車電子、半導體照明、電氣設(shè)備等領(lǐng)域。

2，氮化鋁陶瓷基板

      氮化鋁陶瓷基板一般成灰白色，AlN 陶瓷理論熱導率可達320 W/(m·K)，其商用產(chǎn)品熱導率一般為 180 W/(m·K) ~ 260 W/(m·K) ，25°C ~ 200°C 溫度范圍內(nèi)熱膨脹系數(shù)為 4 × 10-6/°C (與 Si 和 GaAs 等半導體芯片材料基本匹配)，彈性模量為 310 GPa，抗彎強度為 300 MPa ~ 340 MPa，介電常數(shù)為 8 ~ 10。氮化鋁陶瓷熱導率為氧化鋁陶瓷的 6 ~ 8 倍，但熱膨脹系數(shù)只有其 50%，此外還具有絕緣強度高、介電常數(shù)低、耐腐蝕性好等優(yōu)勢。除了成本較高外，氮化鋁陶瓷綜合性能均優(yōu)于氧化鋁陶瓷，是一種非常理想的電子封裝基片材料，尤其適用于導熱性能要求較高的領(lǐng)域。

3，氮化硅陶瓷基板

氮化硅陶瓷基板核心成分是Si3N4 ，具有三種晶體結(jié)構(gòu)，分別是 α 相、β 相和 γ 相 (其中 α 與 β 相是最常見形態(tài))，均為六方結(jié)構(gòu)，其粉料與基片呈灰白色。Si3N4 陶瓷基片彈性模量為 320 GPa，抗彎強度為 920 MPa，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。早期的氮化硅陶瓷基板熱導率不算高，經(jīng)過工藝改進后可以實現(xiàn)177W/(m·K).

Si3N4 陶瓷抗彎強度高 (大于 800 MPa)，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(yīng)用于強度要求較高但散熱要求不高的領(lǐng)域。

4，氧化鈹陶瓷基板

BeO 材料密度低，具有纖鋅礦型和強共價鍵結(jié)構(gòu)，其粉末與基片均為白色。BeO相對分子量較低，導致材料熱導率高，如純度為 99% 的 BeO 陶瓷室溫熱導率可達 310 W/(m·K)；其禁帶寬度高達 10.6 eV，介電常數(shù)為 6.7，彈性模量為 350 GPa，抗彎強度為 200 MPa，具有良好的綜合性能。

但是氧化鈹陶瓷基板粉體有毒性，BeO 燒結(jié)溫度高達1900°C 以上，生產(chǎn)成本高，熱導率隨著溫度升高而降低，如在 0°C ~ 600°C 溫度范圍內(nèi)，BeO陶瓷平均熱導率為 206.67 W/(m·K)，但當溫度升高到 800°C 時，其熱導率降低為十分之一。

5，其它陶瓷基板

除了上述陶瓷材料外，碳化硅 (SiC)、氮化硼 (BN) 等也都可作為陶瓷基片材料。其中，SiC 單晶材料室溫熱導率可達 490 W/(m·K)，但 SiC 多晶體熱導率僅為 67 W/(m·K)。此外，SiC 材料介電常數(shù)為 40，是 AlN 陶瓷的 4 倍，限制了其高頻應(yīng)用。BN 材料具有較好的綜合性能，但作為基片材料，它沒有突出優(yōu)點，且價格昂貴，與半導體材料熱膨脹系數(shù)也不匹配，目前仍處于研究中。

陶瓷基板又稱陶瓷電路板，包括陶瓷基片和金屬線路層。對于電子封裝而言，封裝基板起著承上啟下，連接內(nèi)外散熱通道的關(guān)鍵作用，同時兼有電互連和機械支撐等功能。陶瓷具有熱導率高、耐熱性好、機械強度高、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)勢，是功率半導體器件封裝常用的基板材料。更多半導體器件封裝陶瓷基板相關(guān)問題可以咨詢金瑞特種電路，金瑞欣特種電路加工陶瓷基板有著成熟的制作工藝（DPC/DBC/AMB），歡迎咨詢。

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