電子陶瓷基板基片材料性能和種類

在電子半導(dǎo)體領(lǐng)域用的大多數(shù)是陶瓷封裝基板，陶瓷基板封裝需要好的高熱導(dǎo)率、絕緣性等性能，今天小編重點(diǎn)來(lái)講解電子陶瓷基板基片材料的性能和種類。

電子陶瓷基板基片材料的性能要求：

電子陶瓷封裝基板主要利用材料本身具有的高熱導(dǎo)率，將熱量從芯片 (熱源) 導(dǎo)出，實(shí)現(xiàn)與外界環(huán)境的熱交換。對(duì)于功率半導(dǎo)體器件而言，封裝基板必須滿足以下要求：

(1) 高熱導(dǎo)率。目前功率半導(dǎo)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(dǎo)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(huì)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(huì)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(jī)械強(qiáng)度高，滿足器件加工、封裝與應(yīng)用過(guò)程的強(qiáng)度要求。

(6) 價(jià)格適宜，適合大規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用。

電子陶瓷基板基片材料都有哪些種類呢？

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(duì)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(dǎo)熱、耐熱、絕緣、強(qiáng)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(dǎo)率高、耐熱性好、高絕緣、高強(qiáng)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(dǎo)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。

1 陶瓷基片材料

作為封裝基板，要求陶瓷基片材料具有如下性能：(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(hào)傳輸時(shí)間，提高信號(hào)傳輸速率；(5) 機(jī)械強(qiáng)度高，滿足器件封裝與應(yīng)用過(guò)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；(8) 其他性能要求，如對(duì)于光電器件應(yīng)用，還對(duì)陶瓷基片材料顏色、反光率等提出了要求。

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)等。下面分別介紹其性能與技術(shù)特點(diǎn)。

1 .1氧化鋁 (Al2O3)

氧化鋁陶瓷呈白色，熱導(dǎo)率為 20 W/(m·K) ~ 30 W/(m·K)，25°C ~ 200°C 溫度范圍內(nèi)熱膨脹系數(shù)為 7.0 × 10-6/°C ~ 8.0 × 10-6/°C，彈性模量約為 300 GPa，抗彎強(qiáng)度為 300MPa ~ 400 MPa，介電常數(shù)為 10，其粉料與樣品如圖所示。

       氧化鋁陶瓷基片成型方法主要有軋膜法、流延法和凝膠注膜法等。其中后兩種方法采用去離子水代替有機(jī)溶劑，既可降低成本，也有利于環(huán)保，是 Al2O3 陶瓷片制備主要研究方向之一。由于Al2O3 晶格能較大，離子鍵較強(qiáng)，因此燒結(jié)溫度較高，95%Al2O3 陶瓷燒結(jié)溫度為 1650°C ~ 1700°C， 99% Al2O3 陶瓷燒結(jié)溫度則高達(dá) 1800°C。如此高的燒結(jié)溫度不僅導(dǎo)致制作成本偏高，而且所得到的產(chǎn)品晶粒粗大，氣孔難以排除，導(dǎo)致 Al2O3 陶瓷氣孔率增加，力學(xué)性能降低。研究表明，在原料中加入適量添加劑可降低燒結(jié)溫度，降低陶瓷氣孔率，提高陶瓷材料致密性與熱導(dǎo)率。常用添加劑有生成液相型燃燒助劑 (如 SiO、CaO、SrO 和 BaO 等堿金屬氧化物)、生成固溶體型燒結(jié)助劑 (如 TiO2、MnO2、Fe2O3 和 Cr2O3 等) 以及稀土燒結(jié)助劑 (如 Y2O3、La2O3、Sm2O3 以及 Nd2O3 等稀土氧化物)。根據(jù) Al2O3 粉料與添加劑的不同含量，可將 Al2O3 陶瓷分為 75 瓷、85 瓷、96 瓷、99 瓷等不同牌號(hào)。

     氧化鋁陶瓷具有原料來(lái)源豐富、價(jià)格低廉、絕緣性高、耐熱沖擊、抗化學(xué)腐蝕及機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，是一種綜合性能較好的陶瓷基片材料，占陶瓷基片材料總量的 80% 以上。但由于其熱導(dǎo)率相對(duì)較低 (99% 氧化鋁熱導(dǎo)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(dǎo)體照明、電氣設(shè)備等領(lǐng)域。

     1.2 氮化鋁 (AlN)

氮化鋁材料呈灰白色 (如圖 2 所示)，屬于六方晶系，是以 [AlN4] 四面體為結(jié)構(gòu)單元的纖鋅礦型共價(jià)鍵化合物。該結(jié)構(gòu)決定了其具有優(yōu)良的熱學(xué)、電學(xué)和力學(xué)性能。AlN 陶瓷理論熱導(dǎo)率可達(dá)320 W/(m·K)，其商用產(chǎn)品熱導(dǎo)率一般為 180 W/(m·K) ~ 260 W/(m·K) [9]，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(dǎo)體芯片材料基本匹配)，彈性模量為 310 GPa，抗彎強(qiáng)度為 300 MPa ~ 340 MPa，介電常數(shù)為 8 ~ 10。

AlN 陶瓷燒結(jié)同樣需要燒結(jié)助劑來(lái)改善性能，提高質(zhì)量。常用助燒劑有 Y2O3、CaO、Li2O、BaO、MgO、SrO、La2O3、HfO2 和 CeO2 等。助燒劑的主要作用有兩方面：一是形成低熔點(diǎn)物相，實(shí)現(xiàn)液相燒結(jié)進(jìn)而降低燒結(jié)溫度；二是與晶格中的雜質(zhì)氧發(fā)生反應(yīng)，使晶格完整化，進(jìn)而提高陶瓷性能。一般而言，二元或多元燒結(jié)助劑往往可以獲得更好的燒結(jié)效果。助燒劑加入方式有兩種，一是直接添加，另一種是以可溶性硝酸鹽形式制成前驅(qū)體原位生產(chǎn)燒結(jié)助劑。傳統(tǒng) AlN 陶瓷成型方法有模壓、等靜壓和熱壓等，但這些方法生產(chǎn)周期長(zhǎng)、效率低、制品各方向受力不均勻，無(wú)法滿足電子封裝需求。近年來(lái)業(yè)界逐步開(kāi)發(fā)了流延成型、注凝成型、注射成型等工藝。其中，流延法主要適用于制備片狀產(chǎn)品，分為有機(jī)和無(wú)機(jī)體系。相對(duì)而言，有機(jī)流延體系具有溶劑選擇范圍廣、干燥時(shí)間短、防止粉體水化等特點(diǎn)，但常用的醇、酮及苯等有機(jī)溶劑具有一定毒性，生產(chǎn)受到一定限制。因此，目前行業(yè)內(nèi)主要采用水基流延成型法，但也存在坯體干燥易起泡和變形、燒結(jié)易開(kāi)裂以及制品表面不光滑等問(wèn)題。

氮化鋁陶瓷熱導(dǎo)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(qiáng)度高、介電常數(shù)低、耐腐蝕性好等優(yōu)勢(shì)。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(dǎo)熱性能要求較高的領(lǐng)域。

1.3 氮化硅陶瓷 (Si3N4)

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(jiàn)形態(tài))，均為六方結(jié)構(gòu)，其粉料與基片呈灰白色，如圖 3 所示。Si3N4 陶瓷基片彈性模量為 320 GPa，抗彎強(qiáng)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(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)小、耐腐蝕性高等優(yōu)勢(shì)。由于 Si3N4 陶瓷晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)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15 W/(m·K) ~ 30 W/(m·K)。1995 年，Haggerty 等人通過(guò)經(jīng)典固體傳輸理論計(jì)算表明，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(cè)其理論值最高可達(dá) 320 W/(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(guò)工藝優(yōu)化，氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率不斷提高，目前已突破 177 W/(m·K) 。

Si3N4 陶瓷傳熱機(jī)制同樣為聲子傳熱。晶格中的雜質(zhì)往往伴隨著空位、位錯(cuò)等結(jié)構(gòu)缺陷，降低了聲子平均自由程，導(dǎo)致熱導(dǎo)率降低，因此制備高純粉體是制備高熱導(dǎo)率 Si3N4 陶瓷的關(guān)鍵。目前，市場(chǎng)上商用 Si3N4 粉料制備方法主要有兩種，分別為硅粉直接氮化法及硅亞胺熱解法。前者工藝較成熟，生產(chǎn)成本低，因此國(guó)內(nèi)外大多數(shù)企業(yè)使用該法來(lái)生產(chǎn) Si3N4 粉料。但該方法所生產(chǎn)的 Si3N4 粉料含有Fe、Ca、Al 等雜質(zhì)，雖然可以通過(guò)酸洗去除，但大大增加了生產(chǎn)成本。后者可制備出具有較高燒結(jié)活性的 Si3N4 粉料，不含金屬雜質(zhì)元素，粒徑分布在 0.2 μm ~ 1 μm，且產(chǎn)量巨大，但技術(shù)難度較高。

Si3N4 陶瓷燒結(jié)助劑一般為金屬氧化物、稀土氧化物或二者的混合物。Zhou 等人采用Y2O3-MgO 燒結(jié)助劑制備出氮化硅熱導(dǎo)率高達(dá) 177W/(m·K)，這是目前為止報(bào)道的 Si3N4 陶瓷最高熱導(dǎo)率。但是，氧化物燒結(jié)助劑會(huì)在 Si3N4 晶體中引入氧原子，導(dǎo)致熱導(dǎo)率降低。采用非氧化物燒結(jié)助劑可減少氧含量，對(duì)于凈化 Si3N4 晶格、減少晶界玻璃相、提高熱導(dǎo)率及高溫力學(xué)性能具有重要意義。梁振華等人分別以 MgSiN2 和 MgSiN2 與 Y2O3 混合物作為燒結(jié)助劑，在相同條件下制備 Si3N4 陶瓷，前者熱導(dǎo)率為 90 W/(m·K)，而后者僅為 70 W/(m·K)。Hayashi 等人以 Yb2O3-MgSiN2 和 Yb2O3-MgO作為燒結(jié)助劑，在相同條件下制備 Si3N4 陶瓷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)前者熱導(dǎo)率更高。

Si3N4 陶瓷燒結(jié)方法主要有反應(yīng)燒結(jié)、常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)和放電等離子燒結(jié)等。反應(yīng)燒結(jié)具有線收縮率低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但其致密度低、力學(xué)性能差、熱導(dǎo)率低。常壓燒結(jié)與熱壓燒結(jié)制備的Si3N4 陶瓷具有較好的機(jī)械性能，但熱導(dǎo)率偏低，成本較高。氣壓燒結(jié)是指在燒結(jié)過(guò)程中施加壓力約為 1 MPa ~ 10 MPa 的氣體 (通常為 N2) 以抑制 Si3N4 分解，促進(jìn)粉料致密化，獲得高密度產(chǎn)品。放電等離子燒結(jié)是一種通過(guò)壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和電流場(chǎng)等效應(yīng)燒結(jié)制備陶瓷的新技術(shù)。

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)度高 (大于 800 MPa)，耐磨性好，是綜合機(jī)械性能最好的陶瓷材料，同時(shí)其熱膨脹系數(shù)最小，因而被認(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。

1.4 氧化鈹 (BeO)

BeO 材料密度低，具有纖鋅礦型和強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，其粉末與基片均為白色，如圖 4 所示。BeO相對(duì)分子量較低，導(dǎo)致材料熱導(dǎo)率高，如純度為 99% 的 BeO 陶瓷室溫?zé)釋?dǎo)率可達(dá) 310 W/(m·K)；其禁帶寬度高達(dá) 10.6 eV，介電常數(shù)為 6.7，彈性模量為 350 GPa，抗彎強(qiáng)度為 200 MPa，具有良好的綜合性能。

但是，BeO 材料也存在一些不足，包括：(1) BeO 粉體具有毒性，人體大量吸入后將導(dǎo)致急性肺炎，長(zhǎng)期吸入會(huì)引起慢性鈹肺病，因此在生產(chǎn)過(guò)程中要采用特殊防護(hù)措施；(2) BeO 燒結(jié)溫度高達(dá)1900°C 以上，生產(chǎn)成本高；(3) 熱導(dǎo)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(dǎo)率為 206.67 W/(m·K)，但當(dāng)溫度升高到 800°C 時(shí)，其熱導(dǎo)率降低為十分之一，上述原因限制了氧化鈹?shù)耐茝V應(yīng)用。但在某些大功率、高頻半導(dǎo)體器件以及航空電子設(shè)備和衛(wèi)星通訊中，為了追求高導(dǎo)熱和理想高頻特性，仍在采用 BeO 陶瓷基片。

目前，美國(guó)是全球主要的 BeO 陶瓷基板生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，福特和通用等汽車公司在點(diǎn)火裝置中大量使用 BeO 陶瓷基板。

1.5 其它陶瓷基片材料

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?zé)釋?dǎo)率可達(dá) 490 W/(m·K)，但 SiC 多晶體熱導(dǎo)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(méi)有突出優(yōu)點(diǎn)，且價(jià)格昂貴，與半導(dǎo)體材料熱膨脹系數(shù)也不匹配，目前仍處于研究中。SiC和 BN 陶瓷基板如圖 5 所示。

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