中國粉體網(wǎng)訊 基于現(xiàn)階段電子芯片的綜合性能越來越高、整體尺寸越來越小的發(fā)展情況，電子芯片工作過程中所呈現(xiàn)出的熱流密度同樣大幅提升。對于電子器件而言，通常溫度每升高10℃，器件有效壽命就降低30%~50%。因此，選用合適的封裝材料與工藝、提高器件散熱能力就成為發(fā)展功率器件的技術(shù)瓶頸。
以大功率LED封裝為例，由于輸入功率的70%~80%轉(zhuǎn)變成為熱量(只有約20%~30%轉(zhuǎn)化為光能)，且LED芯片面積小，器件功率密度很大(大于100W/cm2)，如果不能及時將芯片發(fā)熱導(dǎo)出并消散，大量熱量將聚集在LED內(nèi)部，芯片結(jié)溫將逐步升高，一方面使LED性能降低(如發(fā)光效率降低、波長紅移等)，另一方面將在LED器件內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，引發(fā)一系列可靠性問題。
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，實現(xiàn)與外界環(huán)境的熱交換。目前常用封裝基板主要可分為高分子基板、金屬基板和陶瓷基板幾類。
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，高分子基板和金屬基板使用受到很大限制；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。
目前，常用電子封裝陶瓷基板材料包括氧化鋁、碳化硅、氮化鋁、氮化硅、氧化鈹?shù)�。在這幾種材料中，誰是芯片散熱的最優(yōu)選呢？
一些陶瓷材料的特性比較
氧化鋁陶瓷是最為常見的一種陶瓷基板材料，早在1929年，德國西門子公司就成功地研制Al2O3陶瓷，并于1932年發(fā)表研究成果，1933年開始進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。它因價格較低、穩(wěn)定性好、絕緣性和機(jī)械性能較好，而且工藝技術(shù)純熟，是目前應(yīng)用最為廣泛的一種陶瓷基板材料。
但是Al2O3陶瓷的熱導(dǎo)率較低（20W/m·K），而且熱膨脹系數(shù)與Si不太匹配，在一定程度上限制了其在大功率電子產(chǎn)品中的應(yīng)用，其應(yīng)用范圍局限在電路所能承受的電壓較低和電路的集成度不太高的封裝領(lǐng)域。
BeO陶瓷是目前較為常用的高導(dǎo)熱陶瓷基板材料，綜合性能良好，能夠滿足較高的電子封裝要求，但是其熱導(dǎo)率隨溫度波動變化較大，溫度升高其熱導(dǎo)率大幅度下降。此外，BeO粉末有劇毒，大量吸入人體后將導(dǎo)致急性肺炎，長期吸入會引起慢性鈹肺病，這大大限制了它的應(yīng)用。據(jù)了解，日本如今已經(jīng)不允許BeO的生產(chǎn)，而且在歐洲BeO相關(guān)的電子產(chǎn)品也受到一定限制。
SiC單晶體具有很高的熱導(dǎo)率，純SiC單晶體室溫下的熱導(dǎo)率高達(dá)490W/（m·K），但由于晶粒取向的差異，多晶SiC陶瓷的熱導(dǎo)率只有67W/（m·K）。另外，SiC絕緣程度低，且介電損耗大，高頻特性差。因此，SiC作為電路基片材料，多年來一直研究得較少。
由此看來，以上三種陶瓷材料作為基板材料并不是很給力，尤其在大功率器件方面潛力一般，我們再來看看氮化鋁和氮化硅。
相比之下，氮化鋁陶瓷的各項性能優(yōu)異，尤其是高熱導(dǎo)率的特點，其理論熱導(dǎo)率可達(dá)320W/（m·K），其商用產(chǎn)品熱導(dǎo)率一般為180W/（m·K）~260W/（m·K），使其能夠用于高功率、高引線和大尺寸芯片封裝基板材料。
早在20世紀(jì)80年代初期，世界上一些發(fā)達(dá)國家就開始從事AlN基片的研究和開發(fā)，其中日本開展得最早，技術(shù)也最成熟，1983年就研制出熱導(dǎo)率為95W/（m·K）的透明AlN陶瓷和260W/（m·K）的AlN陶瓷基片，而且從1984年開始推廣應(yīng)用。
此外，氮化鋁陶瓷還具較高的機(jī)械強(qiáng)度及化學(xué)穩(wěn)定性，能夠在較惡劣的環(huán)境下保持正常的工作狀態(tài)。正是因為氮化鋁陶瓷具有諸多的優(yōu)良性能，氮化鋁陶瓷會在眾多陶瓷基板材料中脫穎而出，成為新一代先進(jìn)陶瓷封裝材料的代表產(chǎn)品。
氮化硅方面，1995年以前，Si3N4室溫下的熱導(dǎo)率為20~70/W（m·K），遠(yuǎn)低于AlN和SiC的熱導(dǎo)率，因此，Si3N4的導(dǎo)熱性能一直沒能引起人們的注意。
1995年，人們對氮化硅熱導(dǎo)率的認(rèn)識發(fā)生了轉(zhuǎn)變，一位叫Haggerty的科學(xué)家通過經(jīng)典固體傳輸理論計算表明，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)測其理論值最高可達(dá)320W/（m·K）。之后，科研人員在提高Si3N4材料熱導(dǎo)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(dǎo)率不斷提高，目前已突破177W/（m·K）。
此外，Si3N4陶瓷最大的優(yōu)點就是熱膨脹系數(shù)低，在陶瓷材料中，除SiO2(石英)外，Si3N4的熱膨脹系數(shù)幾乎是最低的，為3.2×10−6/℃，約為Al2O3的1/3。
整體來看，氮化鋁陶瓷基板的最大優(yōu)勢是它的熱導(dǎo)率較高，且具有與Si、SiC和GaAs等半導(dǎo)體材料相匹配的熱膨脹系數(shù)，因此在解決大功率器件散熱方面的確是一把好手。而氮化硅陶瓷主打的就是一個全面性，在現(xiàn)有可作為基板材料使用的陶瓷材料中，Si3N4Si3N4陶瓷抗彎強(qiáng)度高(大于800MPa)，耐磨性好，被稱為綜合機(jī)械性能最好的陶瓷材料，在強(qiáng)度要求較高的散熱環(huán)境下要強(qiáng)于其他材料。
因此，這兩種材料均成為近些年及今后最值得重視的基板材料。
參考來源：
[1]程浩等.電子封裝陶瓷基板
[2]李宏偉.大功率LED用高熱導(dǎo)率氮化鋁陶瓷基座的制備與封裝研究
[3]李婷婷等.電子封裝陶瓷基片材料的研究進(jìn)展
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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