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          五大陶瓷基板材料特性及應用大全

          2021-06-18 15:01
          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定性,對芯片載體提出了更高的要求。陶瓷基板具有優異的熱性能、微波性能、力學性能以及可靠性高等優點,可廣泛應用于這些領域。

           

          陶瓷基板在消費市場上的應用越來越多,但國內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定性,對芯片載體提出了更高的要求。陶瓷基板具有優異的熱性能、微波性能、力學性能以及可靠性高等優點,可廣泛應用于這些領域。   陶瓷基板在消費市場上的應用越來越多,但國內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晶體結構 圖源自網絡

           

          BeO晶體結構 圖源自網絡

           

          BeO為纖鋅礦型結構,單胞為立方晶系。其熱傳導能力極高,BeO質量分數為99%的BeO陶瓷,室溫下其熱導率(熱導系數)可達310W/(m·K),為同等純度Al2O3陶瓷熱導率的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,在需要高導熱的大功率器件及電路的應用中,BeO陶瓷是首選材料。

           

          BeO的高熱導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)

           

           

          二、氧化鋁(Al2O3)

           

          氧化鋁(Al2O3)—SEM 圖源自網絡

           

          Al2O3的同質多晶體可達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種主要晶型形態中最穩定的一種,其單元晶胞是一個尖的菱面體,屬于六方晶系。α-Al2O3結構緊密,為剛玉型結構,能穩定存在于所有溫度下;當溫度達到1000~1600℃時,其他變體都會不可逆地轉變為α-Al2O3。

           

          隨著Al2O3質量分數的增加以及相應玻璃相質量分數的減少,Al2O3陶瓷熱導率迅速上升,當Al2O3質量分數達到99%時,其熱導率相較質量分數為90%時提高了一倍左右。

           

          雖然增加Al2O3的質量分數可以提高陶瓷的綜合性能,但是同時提高了陶瓷的燒結溫度,間接導致了生產成本的增加。

           

           

          三、氮化鋁(AlN)

           

           

          AlN粉體 圖源自網絡

           

          AlN粉體 圖源自網絡

           

           

          AlN是一種具有纖鋅礦結構的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,因而具有高導熱性能,純凈的AlN晶體室溫熱導率高達320W/(m·k),熱壓燒制的AlN基片熱導率可達150W/(m·K),為Al2O3的5倍以上,熱膨脹系數為3.8×10-6~4.4×10-6/℃,與Si、SiC和GaAs等半導體芯片材料熱膨脹系數匹配良好。

           

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

           

           

          四、氮化硅(Si3N4)

           

          四、氮化硅(Si3N4)

           

          Si3N4粉體 圖源自網絡

           

          Si3N4為共價鍵化合物,有三種晶體結構:α-Si3N4、β-Si3N4和γ-Si3N4。其中α-Si3N4和β-Si3N4是最常見的晶型,為六方結構。單晶Si3N4熱導率可達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,且雜質造成聲子散射變大,實際燒制的陶瓷熱導率僅為20W/(m·K)左右。通過優化比例與燒結工藝,目前其熱導率已達106W/(m·K)。Si3N4的熱膨脹系數約為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熱電子器件陶瓷基板材料。
           

           

          現有陶瓷基板中,Si3N4陶瓷基板以其硬度高、機械強度高、耐高溫和熱穩定性好、介電常數和介質損耗低、耐磨損、耐腐蝕等優異的性能,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)

           

           

          五、碳化硅(SiC)

           

          SiC粉體 圖源自網絡

           

           

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

           

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

           

          目前, 國內常用陶瓷基板材料主要為Al2O3、AlN和Si3N4。LTCC技術制作的陶瓷基板可在三維結構中集成電阻、電容和電感等無源元件。相對于半導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:

          1、陸琪,劉英坤,喬志壯等. 陶瓷基板研究現狀及新進展;

          2、劉雄章,郭冉,李青達等.高熱導率氮化硅散熱基板材料的研究進展;

          3、劉佳佳,劉英坤,譚永亮.SiC 電力電子器件研究現狀及新進展;

          4、鄭銳,席生岐,周敬恩.AlN 低溫燒結助劑的研究現狀。

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