中国粉体网讯 随着功率器件特别是第三代半导体的崛起与应用，半导体器件逐渐向大功率、小型化、集成化、多功能等方向发展，对封装基板性能也提出了更高要求。陶瓷基板具有热导率高、耐热性好、热膨胀系数低、机械强度高、绝缘性好、耐腐蚀、抗辐射等特点，在电子器件封装中得到广泛应用。
目前，常用电子封装陶瓷基片材料包括氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)、氧化铍(BeO)、碳化硅（SiC）等。那么，谁才是最有发展前途的封装材料呢？
陶瓷基板对材料的要求
要在几种陶瓷基板材料中分出胜负，首先要明白陶瓷基板对材料有哪些要求。
(1)热导率高，满足器件散热需求；
(2)耐热性好，满足功率器件高温(大于200°C)应用需求；
(3)热膨胀系数匹配，与芯片材料热膨胀系数匹配，降低封装热应力；
(4)介电常数小，高频特性好，降低器件信号传输时间，提高信号传输速率；
(5)机械强度高，满足器件封装与应用过程中力学性能要求；
(6)耐腐蚀性好，能够耐受强酸、强碱、沸水、有机溶液等侵蚀；
(7)结构致密，满足电子器件气密封装需求。
Al2O3、BeO、SiC对比
1、Al2O3
Al2O3陶瓷基片综合性能较好，目前应用最成熟。Al2O3原料丰富、价格低，强度、硬度高，耐热冲击，绝缘性、化学稳定性、与金属附着性良好。目前Al2O3是陶瓷基片主要材料。增加基片中Al2O3的含量，可以提高其综合性能，但所需的烧结温度也升高，制造成本相应提高。在Al2O3中掺入Ag、Ag-Pd等金属导体或低熔玻璃，既可以降低烧结温度又可以减小介电常数。
2、BeO
BeO晶体的晶格常数为a=2.695Å，c=4.390Å，是碱土金属氧化物中唯一的六方纤锌矿结构(Wurtzite)。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。据中国粉体网编辑了解，在现使用的陶瓷材料中，室温下BeO的热导率最高，比Al2O3陶瓷高一个数量级。纯度为99%以上、致密度达99%以上的BeO陶瓷，其室温热导率可达310W/(m·K)，与金属材料的热导率十分相近。而且随着BeO含量的提高，其热导率增大。
3、SiC
碳化硅陶瓷基板的热导率在室温可高达270W/(m·K)，是良好的导热材料，而且其热膨胀系数与常用的LED沉底材料蓝宝石的热膨胀系数5.8×10-6/K接近，还具备高弹性模量（450GPa）和相对低密度（3.2g/cm3）的优点，SiC的莫氏硬度为9.75，机械强度高。综述以上优点，SiC基板适合做大功率LED基板材料。
长期以来，Al2O3和BeO陶瓷是大功率封装两种主要基板材料。但这两种基板材料都有很大的缺点：Al2O3的热导率低，热膨胀系数与芯片材料不匹配；BeO虽然具有优良的综合性能，但生产成本较高而且有剧毒。
此外，SiC基板热导率在高温时会随着温度的升高明显下降，严重影响产品性能。另外，不良的绝缘耐压性也阻碍了其在LED领域中的发展。碳化硅的介电常数较高，会导致信号延迟，影响产品的可靠性。此外，SiC属于共价键化合物，所以碳化硅陶瓷较难烧结，必须通过添加少量铍、硼、铝及其化合物使其致密度提高。
因此，从性能、成本和环保等方面考虑，这三种基板材料均不能作为今后大功率LED器件发展最理想材料。
Si3N4与AlN的终极对决
1、Si3N4
Si3N4陶瓷基片弹性模量为320GPa，抗弯强度为920MPa，热膨胀系数仅为3.2×10-6/°C，介电常数为9.4，具有硬度大、强度高热膨胀系数小、耐腐蚀性高等优势。由于Si3N4陶瓷晶体结构复杂，对声子散射较大，因此早期研究认为其热导率低，如Si3N4轴承球、结构件等产品热导率只有15W/(m·K)~30W/(m·K)。但是，通过研究发现，Si3N4材料热导率低的主要原因与晶格内缺陷、杂质等有关，并预测其理论值最高可达320W/(m·K)。之后，在提高Si3N4材料热导率方面出现了大量的研究，通过工艺优化，氮化硅陶瓷热导率不断提高，目前已突破177W/(m·K)。
此外，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。Si3N4陶瓷的抗弯强度、断裂韧性都可达到AlN的２倍以上，特别是在材料可靠性上，Si3N4陶瓷基板具有其他材料无法比拟的优势。
2、AlN
氮化铝是兼具良好的导热性和良好的电绝缘性能少数材料之一，且具备以下优点：
（1）氮化铝的导热率较高，室温时理论导热率最高可达320W/(m·K)，是氧化铝陶瓷的8～10倍，实际生产的热导率也可高达200W/(m·K)，有利于LED中热量散发，提高LED性能；
（2）氮化铝线膨胀系数较小，理论值为4.6×10-6/K，与LED常用材料Si、GaAs的热膨胀系数相近，变化规律也与Si的热膨胀系数的规律相似。另外，氮化铝与GaN晶格相匹配。热匹配与晶格匹配有利于在大功率LED制备过程中芯片与基板的良好结合，这是高性能大功率LED的保障。
（3）氮化铝陶瓷的能隙宽度为6.2eV，绝缘性好，应用于大功率LED时不需要绝缘处理，简化了工艺。
（4）氮化铝为纤锌矿结构，以很强的共价键结合，所以具有高硬度和高强度，机械性能较好。另外，氮化铝具有较好的化学稳定性和耐高温性能，在空气氛围中温度达1000℃下可以保持稳定性，在真空中温度高达1400℃时稳定性较好，有利于在高温中烧结，且耐腐蚀性能满足后续工艺要求。
总结
在现有可作为基板材料使用的陶瓷材料中，Si3N4陶瓷抗弯强度最高，耐磨性好，是综合机械性能最好的陶瓷材料，同时其热膨胀系数最小，因而被很多人认为是一种很有潜力的功率器件封装基片材料。但是其制备工艺复杂，成本较高，热导率偏低，主要适合应用于强度要求较高但散热要求不高的领域。
而氮化铝各方面性能同样也非常全面，尤其是在电子封装对热导率的要求方面，氮化铝优势巨大。唯一不足的是，较高成本的原料和工艺使得氮化铝陶瓷价格很高，这是制约氮化铝基板发展的主要问题。但是随着氮化铝制备技术的不断发展，其成本必定会有所降低，氮化铝陶瓷基板在大功率LED领域大面积应用指日可待。
参考来源：
[1]程浩，陈明祥等.电子封装陶瓷基板
[2]郑彧.高导热氮化硅陶瓷基板材料研究现状
[3]汤涛等.电子封装材料的研究现状及趋势
[4]邝海.大功率LED中常用陶瓷基板研究
（中国粉体网编辑整理/山川）
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