誰才是最有發(fā)展前途的封裝材料呢？

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？

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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。

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Al2O3、BeO、SiC對比

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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)。

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BeO

BeO晶體的晶格常數(shù)為a=2.695，c=4.390，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，而且相對分子質量很低，因此，BeO具有極高的熱導率。據(jù)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。

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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。

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Si3N4與AlN的終極對決

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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缺陷、雜質等有關，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。

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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。

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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。

審核編輯 ：李倩