現代微電子技術發展異常迅速，電子系統及設備向大規模集成化、微型化、高效率、高可靠性等方向發展。電子系統集成度的提高將導致功率密度升高，以及電子元件和系統整體工作產生的熱量增加，因此，有效的電子封裝必須解決電子系統的散熱問題。電子封裝基片材料作為一種底座電子元件，主要為電子元器件及其相互聯線提供機械承載支撐、氣密性保護和促進電氣設備的散熱。為加強陶瓷基板及其封裝行業上下游交流聯動，艾邦建有陶瓷基板產業群，歡迎產業鏈上下游企業加入。長按識別二維碼關注公眾號，點擊下方菜單欄右側“微信群”，申請加入陶瓷基板交流群。常用電子封裝基片材料主要有 3 大類：塑料、金屬及金屬基復合材料和陶瓷，陶瓷基片是一種常用的電子封裝基片材料，與塑封料和金屬基片相比，其優勢在于以下幾個方面：1)絕緣性能好，可靠性高。高電阻率是電子元件對基片的最基本要求，一般而言，基片電阻越大，封裝可靠性越高，陶瓷材料一般都是共價鍵型化合物，其絕緣性能較好。2) 介電系數較小，高頻特性好。陶瓷材料的介電常數和介電損耗較低，可以減少信號延遲時間，提高傳輸速度。3) 熱膨脹系數小，熱失配率低。共價鍵型化合物一般都具有高熔點特性，熔點越高，熱膨脹系數越小，故陶瓷材料的熱膨脹系數一般較小。4)熱導率高。根據傳統的傳熱理論，立方晶系的 BeO、SiC 和 AlN 等陶瓷材料，其理論熱導率不亞于金屬的。因此，陶瓷基片材料被廣泛應用于航空、航天和軍事工程的高可靠、高頻、耐高溫、強氣密性的產品封裝。常見的陶瓷基片材料有 Al2O3 陶瓷基片、AlN 陶瓷基片、BeO 陶瓷基片、Si3N4 陶瓷基片、SiC 陶瓷基片等。
Al2O3 陶瓷是指以 Al2O3 為主要原料，α-Al2O3 為主晶相，Al2O3 含量在 75%(質量分數)以上的各種陶瓷。Al2O3 陶瓷具有原料來源豐富、價格低廉、機械強度和硬度較高、絕緣性能、耐熱沖擊性能和抗化學侵蝕性能良好、尺寸精度高、與金屬附著力好等一系列優點，是一種綜合性能較好的陶瓷基片材料。Al2O3 陶瓷基片廣泛應用于電子工業，占陶瓷基片總量的 90%，已成為電子工業不可缺少的材料。
目前使用的 Al2O3 陶瓷基片大多采用多層基片，Al2O3 的含量占 85.0%~99.5%(質量分數)，Al2O3 含量提高了電絕緣性能、熱導率和耐沖擊性能都會有所提高，但同時會導致燒結溫度的上升和生產成本增加。為了降低燒結溫度，同時保證 Al2O3 陶瓷基片的力學性能和電性能，往往需要加入一定量的燒結助劑，如B2O3、MgO、CaO、SiO2、TiO2、Nb2O5、Cr2O3、 CuO、Y2O3、La2O3 和 Sm2O3等金屬氧化物來促進燒結。目前，雖然 Al2O3 陶瓷基片的產量多、應用廣，但因其熱導率(99 瓷的熱導率為 29W/(m·K))較低，熱膨脹系數(7.2×10?6/℃）相對硅單晶(Si 的熱膨脹系數為(3.6~4.0×10?6/℃)而言偏高，故 Al2O3 陶瓷基片在高頻、大功率、超大規模集成電路中的使用受到限制。AlN 晶體的晶格常數為 α=0.3110 nm，c=0.4890nm，屬六方晶系，是以[AlN4]四面體為結構單元的纖鋅礦型共價鍵化合物，此結構決定了其優良的熱性能、電性能和力學性能等。AlN 陶瓷很好的導熱性能(理論上單晶 AlN 的熱導率可以高達 320 W/(m·K)，而實際所測多晶 AlN 陶瓷的熱導率為 30~260 W/(m·K))、較低的介電常數以及與 Si、SiC 和 GaAs 等半導體材料相匹配的熱膨脹系數(AlN 的熱膨脹系數為(3.8~4.4×10?6/℃，Si 的為3.6~4.0×10?6/℃，GaAs 的為6×10?6/ ℃)等優點，使其成為新一代基片的理想材料。圖 氮化鋁陶瓷基板，攝于成都旭瓷展臺
在 AlN 陶瓷的燒結過程中，既要達到致密燒結、降低雜質含量，又要降低溫度、減少成本，則選擇適當的燒結助劑是關鍵。實驗研究表明：Y2O3、CaO、Li2O、BaO、MgO、SrO2、La2O3、HfO2和 CeO2能有效促進 AlN 陶瓷的燒結，而且三元體系 Y2O3-CaO-Li2O 是比較理想的燒結助劑體系。BeO 晶體的晶格常數為 α=2.695?，c=4.390?，是堿土金屬氧化物中唯一的六方纖鋅礦結構(Wurtzite)。由于 BeO 具有纖鋅礦型和強共價鍵結構，而且相對分子質量很低，因此，BeO 具有極高的熱導率。在現今使用的陶瓷材料中，室溫下 BeO 的熱導率最高，比Al2O3陶瓷高一個數量級。BeO 缺點是具有很強的毒性，另外，BeO 熔點為(2570±20) ℃，純 BeO 陶瓷的燒結溫度達 1900 ℃以上，使得其生產成本較高。由于以上原因，它的生產和推廣應用受到限制。但有時在衛星通訊和航空電子設備中，為追求高導熱、高頻特性，仍采用 BeO 陶瓷基片。氮化硅陶瓷（Si3N4）是一種由硅和氮組成的共價鍵化合物，氮化硅陶瓷基板具有高的力學性能，其抗彎強度和斷裂韌性是氮化鋁和氧化鋁的2~3倍，并且具有較高的熱導率以及極好的熱輻射性和耐熱循環性，是公認的集高導熱率、高可靠性于一身的陶瓷基板材料。
圖 氮化硅粉，攝于河北高富展臺
由于 Si3N4 屬于強共價鍵化合物，結構穩定，依靠固相擴散很難燒結致密，必須通過添加燒結助劑來促進燒結，如金屬氧化物（MgO、CaO、Al2O3）和稀土氧化物（Yb2O3、Y2O3、Lu2O3、CeO2）等，借助液相燒結機理來進行致密化。在陶瓷材料中，除 SiO2(石英)外，Si3N4 的熱膨脹系數幾乎是最低的，為 3.2×10?6/℃，約為 Al2O3的 1/3。但其介電性能稍差(介電常數為 8.3，介電損耗為 0.001~0.1)，生產成本也偏高，限制其作為電子封裝陶瓷基片的應用。SiC 單晶體具有很高的熱導率，純 SiC 單晶體室溫下的熱導率高達 490 W/(m·K)，但由于晶粒取向的差異，多晶 SiC 陶瓷的熱導率只有 67W/(m·K)。另外，SiC 絕緣程度低，且介電損耗大，高頻特性差，不宜作為封裝基片材料。研究發現，在以 SiC 為基的材質中加入一定量的 BeO，可以較大程度地改善其絕緣性能和介電性能。對于經改性后的 SiC 材料可以用作大規模集成電路的絕緣基片材料和散熱板，特別是作為基片材料使用，其性能優良。為加強陶瓷基板及其封裝行業上下游交流聯動，艾邦建有陶瓷基板產業群，歡迎產業鏈上下游企業加入。
長按識別二維碼關注公眾號，點擊下方菜單欄右側“微信群”，申請加入陶瓷基板交流群。資料來源：《電子封裝陶瓷基片材料的研究進展》，李婷婷，彭超群等The?7th Ceramic Packages?Industry Forum更多議題征集中，演講&贊助請聯系李小姐：18124643204（同微信）
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