中國粉體網訊 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)熱膨脹系數匹配，與芯片材料熱膨脹系數匹配，降低封裝熱應力；
(4)介電常數小，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。
2、BeO
BeO晶體的晶格常數為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，而且相對分子質量很低，因此，BeO具有極高的熱導率。據中國粉體網編輯了解，在現使用的陶瓷材料中，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，而且其熱膨脹系數與常用的LED沉底材料藍寶石的熱膨脹系數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）的優點，SiC的莫氏硬度為9.75，機械強度高。綜述以上優點，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，熱膨脹系數與芯片材料不匹配；BeO雖然具有優良的綜合性能，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領域中的發展。碳化硅的介電常數較高，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，熱膨脹系數僅為3.2×10-6/°C，介電常數為9.4，具有硬度大、強度高熱膨脹系數小、耐腐蝕性高等優勢。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，通過研究發現，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了大量的研究，通過工藝優化，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勢，尤其是在高溫條件下氮化硅陶瓷材料表現出的耐高溫性能、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材料之一，且具備以下優點：
（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，提高LED性能；
（2）氮化鋁線膨脹系數較小，理論值為4.6×10-6/K，與LED常用材料Si、GaAs的熱膨脹系數相近，變化規律也與Si的熱膨脹系數的規律相似。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定性和耐高溫性能，在空氣氛圍中溫度達1000℃下可以保持穩定性，在真空中溫度高達1400℃時穩定性較好，有利于在高溫中燒結，且耐腐蝕性能滿足后續工藝要求。
總結
在現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展的主要問題。但是隨著氮化鋁制備技術的不斷發展，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狀
[3]湯濤等.電子封裝材料的研究現狀及趨勢
[4]鄺海.大功率LED中常用陶瓷基板研究
（中國粉體網編輯整理/山川）
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