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五大陶瓷基板材料特性及應(yīng)用大全

發(fā)布時間：

2021-06-18

近年來，電子器件工作電流大、溫度高、頻率高，為滿足器件及電路工作的穩(wěn)定性，對芯片載體提出了更高的要求。陶瓷基板具有優(yōu)異的熱性能、微波性能、力學(xué)性能以及可靠性高等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于這些領(lǐng)域。

陶瓷基板在消費市場上的應(yīng)用越來越多，但國內(nèi)陶瓷基板與國外相比還有很大的差距，部分基板原材料仍需要進口，例如高純氮化鋁粉體。

目前應(yīng)用于陶瓷基板的陶瓷材料主要有:氧化鈹(BeO)、氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)、氮化硅(Si3N4)和碳化硅(SiC)等。

近年來，電子器件工作電流大、溫度高、頻率高，為滿足器件及電路工作的穩(wěn)定性，對芯片載體提出了更高的要求。陶瓷基板具有優(yōu)異的熱性能、微波性能、力學(xué)性能以及可靠性高等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于這些領(lǐng)域。陶瓷基板在消費市場上的應(yīng)用越來越多，但國內(nèi)陶瓷基板與國外相比還有很大的差距，部分基板原材料仍需要進口，例如高純氮化鋁粉體。目前應(yīng)用于陶瓷基板的陶瓷材料主要有:氧化鈹(BeO)、氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)、氮化硅(Si3N4)和碳化硅(SiC)等。

不同陶瓷材料性能對比

陶瓷基板的主要材料如下:

一、氧化鈹(BeO)

BeO晶體結(jié)構(gòu) 圖源自網(wǎng)絡(luò)

BeO為纖鋅礦型結(jié)構(gòu)，單胞為立方晶系。其熱傳導(dǎo)能力極高，BeO質(zhì)量分數(shù)為99%的BeO陶瓷，室溫下其熱導(dǎo)率（熱導(dǎo)系數(shù)）可達310W/(m·K)，為同等純度Al2O3陶瓷熱導(dǎo)率的10倍左右。不但具有極高的傳熱能力，同時還具有較低的介電常數(shù)和介電損耗以及高的絕緣性能和機械性能等特點，在需要高導(dǎo)熱的大功率器件及電路的應(yīng)用中，BeO陶瓷是材料。

BeO的高熱導(dǎo)率和低損耗特性迄今為止是其他陶瓷材料不可比擬的，但BeO有非常明顯的缺點，其粉末有劇毒。

二、氧化鋁(Al2O3)

氧化鋁(Al2O3)—SEM 圖源自網(wǎng)絡(luò)

Al2O3的同質(zhì)多晶體可達10多種，其主要晶型有如下4種:α-Al2O3、β-Al2O3、γ-Al2O3和ζ-Al2O3。其中α-Al2O3活性最低，是4種主要晶型形態(tài)中最穩(wěn)定的一種，其單元晶胞是一個尖的菱面體，屬于六方晶系。α-Al2O3結(jié)構(gòu)緊密，為剛玉型結(jié)構(gòu)，能穩(wěn)定存在于所有溫度下；當(dāng)溫度達到1000～1600℃時，其他變體都會不可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)?alpha;-Al2O3。

隨著Al2O3質(zhì)量分數(shù)的增加以及相應(yīng)玻璃相質(zhì)量分數(shù)的減少，Al2O3陶瓷熱導(dǎo)率迅速上升，當(dāng)Al2O3質(zhì)量分數(shù)達到99%時，其熱導(dǎo)率相較質(zhì)量分數(shù)為90%時提高了一倍左右。

雖然增加Al2O3的質(zhì)量分數(shù)可以提高陶瓷的綜合性能，但是同時提高了陶瓷的燒結(jié)溫度，間接導(dǎo)致了生產(chǎn)成本的增加。

三、氮化鋁(AlN)

AlN粉體圖源自網(wǎng)絡(luò)

AlN是一種具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的Ⅲ-Ⅴ族化合物，其單元晶胞為AlN4四面體，屬于六方晶系，具有很強的共價鍵，因而其機械性能優(yōu)良、抗彎強度較高。理論上其晶體密度為3.2611g/cm3，因而具有高導(dǎo)熱性能，純凈的AlN晶體室溫?zé)釋?dǎo)率高達320W/(m·k)，熱壓燒制的AlN基片熱導(dǎo)率可達150W/(m·K)，為Al2O3的5倍以上，熱膨脹系數(shù)為3.8×10－6～4.4×10－6/℃，與Si、SiC和GaAs等半導(dǎo)體芯片材料熱膨脹系數(shù)匹配良好。

AlN陶瓷比Al2O3陶瓷具有更高的熱導(dǎo)率，在大功率電力電子等需要高熱傳導(dǎo)的器件中逐漸替代Al2O3陶瓷，應(yīng)用前景廣闊。AlN陶瓷還因其具有低的二次電子發(fā)射系數(shù)，被看作是功率真空電子器件輸能窗口的材料。

四、氮化硅(Si3N4)

Si3N4粉體圖源自網(wǎng)絡(luò)

Si3N4為共價鍵化合物，有三種晶體結(jié)構(gòu):α-Si3N4、β-Si3N4和γ-Si3N4。其中α-Si3N4和β-Si3N4是最常見的晶型，為六方結(jié)構(gòu)。單晶Si3N4熱導(dǎo)率可達400W/(m·K)，然而由于其為聲子傳熱，實際晶格中存在空位、位錯等晶格缺陷，且雜質(zhì)造成聲子散射變大，實際燒制的陶瓷熱導(dǎo)率僅為20W/(m·K)左右。通過優(yōu)化比例與燒結(jié)工藝，目前其熱導(dǎo)率已達106W/(m·K)。Si3N4的熱膨脹系數(shù)約為3.0×10－6/℃，與Si、SiC和GaAs等材料匹配良好，這使Si3N4陶瓷成為一種極具吸引力的高導(dǎo)熱電子器件陶瓷基板材料。

現(xiàn)有陶瓷基板中，Si3N4陶瓷基板以其硬度高、機械強度高、耐高溫和熱穩(wěn)定性好、介電常數(shù)和介質(zhì)損耗低、耐磨損、耐腐蝕等優(yōu)異的性能，被認為是綜合性能最好的陶瓷材料。目前在IGBT模塊封裝中得到青睞，并逐步替代Al2O3和AlN陶瓷基板。

五、碳化硅(SiC)

SiC粉體圖源自網(wǎng)絡(luò)

單晶SiC以第三代半導(dǎo)體材料而被大家熟知，其具有禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導(dǎo)率高以及電子飽和速度高等優(yōu)點。

通過在SiC中添加少量的BeO和B2O3來增加其電阻率，再添加相應(yīng)的燒結(jié)助劑在1900℃以上的溫度中使用熱壓燒結(jié)，即可制備出致密度達98%以上的SiC陶瓷。采用不同的燒結(jié)方法、燒結(jié)助劑制備出的不同純度的SiC陶瓷，其室溫下熱導(dǎo)率為100～490W/(m·K)。由于SiC陶瓷的介電常數(shù)非常大，因而其只適合低頻應(yīng)用，并不適合高頻應(yīng)用。

目前，國內(nèi)常用陶瓷基板材料主要為Al2O3、AlN和Si3N4。LTCC技術(shù)制作的陶瓷基板可在三維結(jié)構(gòu)中集成電阻、電容和電感等無源元件。相對于半導(dǎo)體主要是有源器件的集成，LTCC擁有高密度的三維互連布線功能。

參考文獻：

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