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五大陶瓷基板材料特性及應(yīng)用


編輯:2023-02-09 10:06:08

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(diǎn),可廣泛應(yīng)用于這些領(lǐng)域。

 

陶瓷基板在消費(fèi)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(jìn)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。

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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)

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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?jǐn)?shù)為99%的BeO陶瓷,室溫下其熱導(dǎo)率(熱導(dǎo)系數(shù))可達(dá)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(shí)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(jī)械性能等特點(diǎn),在需要高導(dǎo)熱的大功率器件及電路的應(yīng)用中,BeO陶瓷是首選材料。
   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(diǎn),其粉末有劇毒。

 

二、氧化鋁(Al2O3)

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氧化鋁(Al2O3)—SEM 圖源自網(wǎng)絡(luò)
    Al2O3的同質(zhì)多晶體可達(dá)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(gè)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(dá)到1000~1600℃時(shí),其他變體都會不可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Al2O3。
    隨著Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加以及相應(yīng)玻璃相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減少,Al2O3陶瓷熱導(dǎo)率迅速上升,當(dāng)Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到99%時(shí),其熱導(dǎo)率相較質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%時(shí)提高了一倍左右。
    雖然增加Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以提高陶瓷的綜合性能,但是同時(shí)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)

 

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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(qiáng)的共價(jià)鍵,因而其機(jī)械性能優(yōu)良、抗彎強(qiáng)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(dá)320W/(m·k),熱壓燒制的AlN基片熱導(dǎo)率可達(dá)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首選材料。

 

四、氮化硅(Si3N4)

 

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Si3N4粉體 圖源自網(wǎng)絡(luò)
    Si3N4為共價(jià)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(dá)400W/(m·K),然而由于其為聲子傳熱,實(shí)際晶格中存在空位、位錯(cuò)等晶格缺陷,且雜質(zhì)造成聲子散射變大,實(shí)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(dá)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(jī)械強(qiáng)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(rèn)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)

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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(diǎn)。

 

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(dá)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(xiàn):

1、陸琪,劉英坤,喬志壯等. 陶瓷基板研究現(xiàn)狀及新進(jìn)展;

2、劉雄章,郭冉,李青達(dá)等.高熱導(dǎo)率氮化硅散熱基板材料的研究進(jìn)展;

3、劉佳佳,劉英坤,譚永亮.SiC 電力電子器件研究現(xiàn)狀及新進(jìn)展;

4、鄭銳,席生岐,周敬恩.AlN 低溫?zé)Y(jié)助劑的研究現(xiàn)狀。


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