【原创】一文了解电子封装陶瓷基片材料


来源:中国粉体网   初末

[导读]  目前常用的电子封装基片材料包括陶瓷基片、塑料基片、以及金属或金属基复合材料等。其中陶瓷由于具有绝缘性能好、化学性质稳定、热导率高、高频特性好等优点而最受瞩目,在销售额总量上占全部基片材料的50%。

现代微电子技术发展异常迅速、电子系统及设备向大规模集成化、微型化、高效率、高可靠性等方向发展。电子系统集成度的提高将导致功率密度升高,以及电子元件和系统整体工作产生的热量增加,因此,有效的电子封装必须解决电子系统的散热问题。



目前常用的电子封装基片材料包括陶瓷基片、塑料基片、以及金属或金属基复合材料等。其中陶瓷由于具有绝缘性能好、化学性质稳定、热导率高、高频特性好等优点而最受瞩目,在销售额总量上占全部基片材料的50%。


电子封装陶瓷基片材料的特点


陶瓷基片是一种常用的电子封装基片材料,与塑封料和金属基片相比,其优势在于以下几个方面:


(1)绝缘性能好,可靠性高。高电阻率是电子元件对基片的基本要求,一般而言,基片电阻越大,封装可靠性越高,陶瓷材料一般都是共价键型化合物,其绝缘性能较好。


(2)介电系数较小,高频特性好。陶瓷材料的介电常数和介电损耗较低,可以减少信号延迟时间,提高传输速度。


(3)热膨胀系数小,热失配率低。共价键型化合物一般都具有高熔点特性,熔点越高,热膨胀系数越小,故陶瓷材料的热膨胀系数一般较小。


(4)热导率高。根据传统的传热理论,立方晶系的BeO、SiC和AIN等陶瓷材料,其理论热导率不亚于金属的。


几种电子封装陶瓷基片材料


目前已经投入生产应用的陶瓷基片主要包括氧化铍(BeO)、氧化铝(Al2O3)和氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)。


(1)BeO陶瓷基片


BeO是碱土金属氧化物中唯一的六方纤锌矿结构,由于BeO具有纤锌矿型和强共价键结构,而且相对分子质量很低,因此BeO具有极高的热导率。在现今使用的陶瓷材料中,室温下BeO的热导率最高。


BeO陶瓷的致命缺点是有剧毒性,长期吸入BeO粉尘会引起中毒甚至危及生命,并对环境造成污染,这极大影响了BeO陶瓷基片的生产和应用。


(2)Al2O3陶瓷基片


Al2O3陶瓷是指以Al2O3为主要原料,α-Al2O3 为主晶相,Al2O3含量在75%(质量分数)以上的各种陶瓷。Al2O3陶瓷具有原料来源丰富、价格低廉、机械强度和硬度较高、绝缘性能、耐热冲击性能和抗化学侵蚀性能良好、尺寸精度高、与金属附着力好等一系列优点,是一种综合性能较好的陶瓷基片材料。


虽然Al2O3陶瓷是目前最成熟的陶瓷基片材料,但其热导率较低,如99瓷Al2O3热导率仅为29W/(m·K)。此外,Al2O3热膨胀系数高达7.2×10-6/℃,与半导体芯片材料Si、SiC等的热膨胀系数相差较大,在冷热循环中容易累积内应力,大大增加了芯片失效概率。这些决定了Al2O3基片在高频、大功率、超大规模集成电路中的使用受到限制。


(3)AlN陶瓷基片


AlN晶体的晶格常数为 a=0.3110 nm,c=0.4890 nm,属六方晶系,是以[AlN4]四面体为结构单元的纤锌矿型共价键化合物,此结构决定了其优良的热性能、电性能和力学性能等。AlN陶瓷基片热导率可达150~230W/(m·K),是Al2O3的8倍以上。另外,AlN的热膨胀系数为(3.8~4.4)×10-6/℃,与Si、SiC和GaAs等半导体芯片材料热膨胀系数匹配良好。


高成本是限制了AlN陶瓷广泛应用重要因素,目前AlN陶瓷基片主要应用于高端产业。此外AlN虽然具有优秀的导热性能和与半导体材料相匹配的线膨胀系数,但是其力学性能较差,如其抗弯强度只有300MPa。在复杂的力学环境下,AlN基片易发生损坏,更增加了使用成本。


(4)Si3N4陶瓷基片


Si3N4具有3种结晶结构,分别是α相、β相和γ相,其中α相和β相是Si3N4最常见的形态,均为六方结构。Si3N4陶瓷具有硬度大、强度高、热膨胀系 数小、高温蠕变小、抗氧化性能好、热腐蚀性能好、摩擦系数小等诸多优异性能,是综合性能最好的结构陶瓷材料。单晶氮化硅的理论热导率可达400W/(m·K),具有成为高导热基片的潜力。此外Si3N4的热膨胀系数为3.0×10-6℃左右,与Si、SiC和GaAs等材料匹配良好,这使陶瓷成为一种极具有吸引力的高强高导热电子器件基板材料。



三种陶瓷基板材料物理力学性能对比


由上表可以看出,与其他陶瓷材料相比,Si3N4陶瓷材料具有明显优势,尤其是在高温条件下氮化硅陶瓷材料表现出的耐高温性能、对金属的化学惰性、超高的硬度和断裂韧性等力学性能。


参考资料:
李婷婷等.电子封装陶瓷基片材料的研究进展
张伟儒等.半导体器件用陶瓷基片材料发展现状

 

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