功率電子器件即功率半導體器件（power electronic device），通常是指用于控制大功率電路的電子器件（數十至數千安培的電流，數百伏以上的電壓）以及轉換電力設備間電能的器件。功率半導體器件的大規模集成化、大功率小型化、高效率低損耗、超高頻的發展而引發的電路發熱也迅速提高，電子封裝對基板材料的要求有：熱導率高、介電常數低、與芯片材料的熱膨脹系數相匹配、力學強度優良、加工性能好、成本低、耐熱沖擊和冷熱循環等。

作為功率半導體器件第三次技術革命的代表性產品，IGBT模塊典型封裝結構如圖所示，可以看出芯片產生的熱量主要通過基板和散熱器傳遞出去，因此基板所采用的材料需要導熱性能優良、耐熱沖擊，同時介電常數要低，避免產生雜散電感，減少能源損耗。為實現機械固定，基板材料還需要具有一定的強度。

圖??IGBT功率模塊封裝典型結構

由于陶瓷材料具有強度高、絕緣性好、導熱和耐熱性能優良、熱膨脹系數小、化學穩定性好等優點，非常適合作為功率半導體器件封裝用基板材料。市面上常見的功率半導體器件封裝陶瓷基板大多采用直接覆銅（direct bonding copper，DBC）和活性金屬釬焊（active metal brazing，AMB）技術，此外還有直接敷鋁技術（Direct Bonded Aluminum，DBA），將不同的金屬材料（Cu、Al）與陶瓷材料互連，作為功率器件封裝用基板；目前市場上所用的陶瓷基板材料主要有氧化鋁（Al2O3）陶瓷基板、氮化鋁（AlN）陶瓷基板和氮化硅（Si3N4）陶瓷基板三種。

1、氧化鋁Al2O3

氧化鋁（Al2O3）具有高導熱性、高機械強度和良好的電氣性能、化學穩定性好，與金屬附著?性良好，并且價格低廉產量大，是陶瓷基板材料中使用量最多、應用最成熟的材料。

圖??奧諾新材氧化鋁陶瓷基片

但氧化鋁熱導率相對較低，芯片工作時產生的熱量沒法及時散出；氧化鋁的斷裂韌性較低，抗沖擊能力差；熱膨脹系數相對較高，與硅的適配性較差，在一定溫度下的反復循環中電子器件內部容易累計應力，從而造成芯片的失效概率大大升高，降低了器件的可靠性，不能滿足更大功率密度電子器件的使用要求，從而限制了其更廣泛領域的應用。

業內在氧化鋁陶瓷成分的基礎上做一些改性，如摻雜氧化鋯，即氧化鋯增韌氧化鋁（ZTA，Zirconia Toughened Alumina）陶瓷，使其既具有優良的導熱性能，又有較高的機械強度，主要用于長壽命和高可靠性的應用。前面的文章我們為大家做過介紹，可以點擊查看：氧化鋯增韌氧化鋁（ZTA）基板的特點及應用

國內氧化鋁基板相關廠家有潮州三環、成都旭瓷、江西創科、奧諾新材料、六方鈺成、鄭州中瓷、粵科京華等。

2、氮化鋁AlN

早在20世紀80年代日本已經成功生產出熱導率高達260W/(m·K)的AlN陶瓷基片，在次年就開始推廣和應用。AlN陶瓷具有優良的熱導率、電絕緣性能和介電性能，與Si、SiC、GaN 等半導體芯片的熱膨脹系數相近，被認為是新一代理想的功率電子器件封裝基板材料。

圖??氮化鋁陶瓷基板，來源：旭瓷

AlN 陶瓷熱導率高，其理論熱導率可以達到 319 W/(m·K)，市場上可獲得的 AlN 陶瓷由于其中雜質和第二相的存在，導致熱導率下降，一般為100~260W/m·K。國內外研究人員針對提高AlN 陶瓷熱導率方面有諸多研究，如添加 Y2O3或者Y2O3-LaF3 ，使用新型粘結劑，改善燒結工藝等。

圖??添加Thermalnite?的氮化鋁基板，來源：U-MAP

此外，AlN 陶瓷基板存在機械性能較差，如斷裂韌性，抗彎強度較低及熱震性較差。日本U-MAP開發了一種纖維狀的氮化鋁單結晶Thermalnite?，通過在原材料氮化鋁粉末中添加Thermalnite?，改變陶瓷基板內部的柱狀組織，?提升氮化鋁基板的機械性能。

圖???基本半導體?SOT-227碳化硅肖特基二極管采用AlN陶瓷基板

國內相關廠家有華清、艾森達、成都旭瓷、潮州三環、臻璟新材、山東國瓷、無錫海古德、江西創科、浙江正天、六方鈺成、九豪、中瓷電子等。

3、氮化硅Si3N4

氮化硅綜合性能優異，具有導熱性高、介電強度高以及與Si、SiC、GaN等的熱膨脹系數相匹配等特點，其理論熱導率高達200~300W/(m·K)，但氮化硅基板實際熱導率遠遠低于理論熱導率的值，目前Si3N4陶瓷商用的熱導率達到90W/(m·K)，相對于AlN的熱導率低，但遠大于Al2O3的熱導率，同時機械強度高，斷裂韌性好，高溫可靠性更好、抗熱震性優異，是國內外公認兼具高導熱、高可靠性等綜合性能最好的陶瓷基板材料，適用于IGBT、SiC等對大功率半導體器件等要求高可靠性的絕緣電路板用途。

圖??利普思半導體的?HPD?系列?SiC?功率模塊采用?Si3N4?AMB?基板

氮化硅陶瓷熱導率還有待進一步提高。氮化硅陶瓷所含的氧雜質是影響其熱導率的主要因素之一。氮化硅的氧雜質一旦固溶到晶粒內成為晶格氧就會引起晶格缺陷的產生，晶格缺陷又引起聲子散射，從而導致熱導率降低。如何降低氮化硅陶瓷的晶格氧含量，是提高的氮化硅陶瓷的熱導率的有效方法。

圖??艾森達即燒型氮化硅基板

國內氮化硅基板相關廠家有艾森達、成都旭瓷、江西創科、浙江正天、河北高富、中材高新、蘇州博勝、宜興紅星電子、福建臻璟?、海古德、威海圓環、新疆晶碩等。

功率半導體器件上陶瓷材料的選擇需要根據應用的需求從陶瓷的熱導率、熱膨脹系數、電絕緣性能、機械強度、成本等進行綜合考慮，合適的就是最好的。

原文始發于微信公眾號（艾邦陶瓷展）：常見的功率半導體器件封裝用陶瓷基板材料