什么样的陶瓷基板能满足半导体封装基板的要求

半导体行业迅速发展，尤其是第三代半导体行业的发展，对电子封装基板也提出了更好的要求。目前陶瓷基板在半导体领域有着较为广泛的应用。那么什么样的陶瓷基板能满足半导体封装基板的要求呢？

一，半导体封装基板的性能要求

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。

封装基板主要利用材料本身具有的高热导率，将热量从芯片 (热源) 导出，实现与外界环境的热交换。对于功率半导体器件而言，封装基板必须满足以下要求：

(1) 高热导率。目前功率半导体器件均采用热电分离封装方式，器件产生的热量大部分经由封装基板传播出去，导热良好的基板可使芯片免受热破坏。

(2) 与芯片材料热膨胀系数匹配。功率器件芯片本身可承受较高温度，且电流、环境及工况的改变均会使其温度发生改变。由于芯片直接贴装于封装基板上，两者热膨胀系数匹配会降低芯片热应力，提高器件可靠性。

(3) 耐热性好，满足功率器件高温使用需求，具有良好的热稳定性。

(4) 绝缘性好，满足器件电互连与绝缘需求。

(5) 机械强度高，满足器件加工、封装与应用过程的强度要求。

(6) 价格适宜，适合大规模生产及应用。

二，目前电子封装基板的现状和问题

      目前常用电子封装基板主要可分为高分子基板、金属基板 (金属核线路板，MCPCB) 和陶瓷基板几类。对于功率器件封装而言，封装基板除具备基本的布线 (电互连) 功能外，还要求具有较高的导热、耐热、绝缘、强度与热匹配性能。因此，高分子基板 (如 PCB) 和金属基板 (如 MCPCB) 使用受到很大限制；而陶瓷材料本身具有热导率高、耐热性好、高绝缘、高强度、与芯片材料热匹配等性能，非常适合作为功率器件封装基板，目前已在半导体照明、激光与光通信、航空航天、汽车电子、深海钻探等领域得到广泛应用。

三，陶瓷基板类型以及特性

陶瓷基板(又称陶瓷电路板) 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。以下分享各类陶瓷基板的性能特点。

常用的电子封装陶瓷基板有氧化铝陶瓷基板(Al2O3)、氮化铝陶瓷基板(AlN)、氮化硅陶瓷基板(Si3N4)、氧化铍 (BeO)等。

1，氧化铝陶瓷基板

      氧化铝陶瓷基板按纯度可以分为95瓷、96瓷、99瓷，核心成分是三氧化二铝，基材是白色，具有导热系数在20w~30w,热膨胀系数7.0~8.0，抗弯强度为 300MPa ~ 400 MPa，介电常数为10，用氧化铝陶瓷基板的话，价格低廉、绝缘性高、耐热冲击、抗化学腐蚀及机械强度高等优点，但是氧化铝陶瓷基板导热性不是很高，其热导率相对较低 (99% 氧化铝热导率约为 30 W/(m·K)，热膨胀系数较高，一般应用在汽车电子、半导体照明、电气设备等领域。

2，氮化铝陶瓷基板

      氮化铝陶瓷基板一般成灰白色，AlN 陶瓷理论热导率可达320 W/(m·K)，其商用产品热导率一般为 180 W/(m·K) ~ 260 W/(m·K) ，25°C ~ 200°C 温度范围内热膨胀系数为 4 × 10-6/°C (与 Si 和 GaAs 等半导体芯片材料基本匹配)，弹性模量为 310 GPa，抗弯强度为 300 MPa ~ 340 MPa，介电常数为 8 ~ 10。氮化铝陶瓷热导率为氧化铝陶瓷的 6 ~ 8 倍，但热膨胀系数只有其 50%，此外还具有绝缘强度高、介电常数低、耐腐蚀性好等优势。除了成本较高外，氮化铝陶瓷综合性能均优于氧化铝陶瓷，是一种非常理想的电子封装基片材料，尤其适用于导热性能要求较高的领域。

3，氮化硅陶瓷基板

氮化硅陶瓷基板核心成分是Si3N4 ，具有三种晶体结构，分别是 α 相、β 相和 γ 相 (其中 α 与 β 相是最常见形态)，均为六方结构，其粉料与基片呈灰白色。Si3N4 陶瓷基片弹性模量为 320 GPa，抗弯强度为 920 MPa，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。早期的氮化硅陶瓷基板热导率不算高，经过工艺改进后可以实现177W/(m·K).

Si3N4 陶瓷抗弯强度高 (大于 800 MPa)，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。

4，氧化铍陶瓷基板

BeO 材料密度低，具有纤锌矿型和强共价键结构，其粉末与基片均为白色。BeO相对分子量较低，导致材料热导率高，如纯度为 99% 的 BeO 陶瓷室温热导率可达 310 W/(m·K)；其禁带宽度高达 10.6 eV，介电常数为 6.7，弹性模量为 350 GPa，抗弯强度为 200 MPa，具有良好的综合性能。

但是氧化铍陶瓷基板粉体有毒性，BeO 烧结温度高达1900°C 以上，生产成本高，热导率随着温度升高而降低，如在 0°C ~ 600°C 温度范围内，BeO陶瓷平均热导率为 206.67 W/(m·K)，但当温度升高到 800°C 时，其热导率降低为十分之一。

5，其它陶瓷基板

除了上述陶瓷材料外，碳化硅 (SiC)、氮化硼 (BN) 等也都可作为陶瓷基片材料。其中，SiC 单晶材料室温热导率可达 490 W/(m·K)，但 SiC 多晶体热导率仅为 67 W/(m·K)。此外，SiC 材料介电常数为 40，是 AlN 陶瓷的 4 倍，限制了其高频应用。BN 材料具有较好的综合性能，但作为基片材料，它没有突出优点，且价格昂贵，与半导体材料热膨胀系数也不匹配，目前仍处于研究中。

陶瓷基板又称陶瓷电路板，包括陶瓷基片和金属线路层。对于电子封装而言，封装基板起着承上启下，连接内外散热通道的关键作用，同时兼有电互连和机械支撑等功能。陶瓷具有热导率高、耐热性好、机械强度高、热膨胀系数低等优势，是功率半导体器件封装常用的基板材料。更多半导体器件封装陶瓷基板相关问题可以咨询金瑞特种电路，金瑞欣特种电路加工陶瓷基板有着成熟的制作工艺（DPC/DBC/AMB），欢迎咨询。

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