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功率電子器件的高導(dǎo)熱封裝材料有哪些？

日期：2021-12-15 瀏覽次數(shù)：次

功率電子器件的設(shè)計(jì)，最主要包括電參數(shù)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱耗散設(shè)計(jì)，迄今，真空電子器件的發(fā)展方向仍然是大功率、超高頻——頻率有至毫米波、亞毫米波，功率有達(dá)千瓦級(jí)、兆瓦級(jí)。分立器件和IC也一樣，半導(dǎo)體芯片數(shù)越來越多，電路集成度越來越高，其半導(dǎo)體元件絕緣基片的熱效應(yīng)顯得更為重要。

功率電子器件的高導(dǎo)熱封裝材料有哪些？

但值得一提的是，不同功率電子器件對(duì)封裝材料的性能要求是不同的，例如功率真空電子器件用輸出窗和微電子行業(yè)用散熱基板，大多都是用陶瓷材料。

對(duì)功率真空電子器件用輸出窗，其封裝材料基本性能要求如下：

①低的損耗角正切值；②低的二次電子發(fā)射系數(shù)；③低的介電常數(shù)；④高的介電強(qiáng)度；⑤高的熱導(dǎo)率系數(shù)；⑥高的機(jī)械強(qiáng)度；⑦適當(dāng)?shù)臒崤蛎浵禂?shù)；⑧易于金屬化和封接。

而微電子行業(yè)所用的陶瓷基板﹐其基本性能要求是：

①高的體、表面電阻、高的絕緣抗電強(qiáng)度以及低的tgo和介電常數(shù)；②熱穩(wěn)定好、熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)適當(dāng)匹配；③機(jī)械強(qiáng)度大、翹曲度小、表面粗糙度適當(dāng)；④化學(xué)穩(wěn)定性好、與制造電阻或?qū)w及其漿料的相容性好。

功率電子器件的高導(dǎo)熱封裝材料有哪些？

陶瓷基板

高導(dǎo)熱陶瓷封裝材料

一般常見的高熱導(dǎo)率的陶瓷材料有金剛石、BeO、SiC、AlN、Si₃N₄和CVD-BN等，其性能如下表：

功率電子器件的高導(dǎo)熱封裝材料有哪些？

這幾種材料在功率電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用情況如下表：

材料類型	性能特點(diǎn)	應(yīng)用	不足
金剛石	介質(zhì)損耗很低，且熱導(dǎo)率很高	化學(xué)氣相沉積（CVD）金剛石膜，是毫米波行波管特別是3mm行波管輸出窗的首選材料	熱膨脹系數(shù)很低，彈性模量很大，焊接時(shí)與一般焊料的界面能(SL)很大，從而對(duì)制成輸出窗封接高質(zhì)量的氣密性和強(qiáng)度性質(zhì)帶來困難
BeO	熱導(dǎo)率僅次于金剛石，陶瓷成型方法多，燒結(jié)溫度較低，易于金屬化，封接強(qiáng)度較高	用作高熱導(dǎo)衰減材料，BeO-SiC復(fù)合材料比AlN系性能更優(yōu)	熱導(dǎo)率隨溫度的升高下降較快（大于300℃），對(duì)高溫散熱不利，且BeO蒸氣、粉體有害，需注意防護(hù)，且受限于原材料純度，國(guó)內(nèi)BeO陶瓷與國(guó)外有一定性能差距
AlN	高熱導(dǎo)率、二次電子發(fā)射系數(shù)特別低、熱膨脹系數(shù)與 Si匹配	半導(dǎo)體低功率器件的熱沉材料，功率真空電子器件輸出窗的優(yōu)選材料、部分領(lǐng)域替代Al₂O₃，制備高熱導(dǎo)率陶瓷基片、多層布線共燒基板和各種填料等	粉體易于水化，在流延等成型工藝時(shí)，需添加大量有機(jī)粘結(jié)劑，有環(huán)保問題；金屬化和焊接技術(shù)不夠成熟，封接強(qiáng)度較低；價(jià)格偏高，國(guó)內(nèi)高端產(chǎn)品供應(yīng)困難
CVD-BN	在現(xiàn)有可用的陶瓷材料中，具有最大的抗電擊穿強(qiáng)度；非常低的介電常數(shù)；熱導(dǎo)率不隨溫度變化	功率真空電子器件輸出窗，電子器件封接材料等	制造工藝?yán)щy，陶瓷易于分層，密度不夠均勻和各向異性突出；在封接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要縝密考慮各向異性引起材料性質(zhì)的差異；制造設(shè)備較貴
SiC	高純度單晶體的熱導(dǎo)率僅次于金剛石，熱膨脹系數(shù)與Si接近，抗彎強(qiáng)度很大	SiC-BeO基板可得到近似BeO陶瓷的熱導(dǎo)率和較大體積電阻率，絕緣強(qiáng)度低，介電常數(shù)和介質(zhì)耗損大，故比較適合于低壓電路散熱基板以及LED等散熱基板上	若不加任何燒結(jié)助劑，需要很高的燒結(jié)溫度，介電常數(shù)大，介質(zhì)損耗大，介電強(qiáng)度小
Si₃N₄	熱導(dǎo)率較高，高抗熱震性、高抗氧化性	陶瓷基板作為高速電路和大功率器件散熱和封接材料	國(guó)內(nèi)基板流延技術(shù)和金屬化技術(shù)還不太成熟

金屬基高熱導(dǎo)率合金和復(fù)合封裝材料

在功率電子器件中，除了需要應(yīng)用陶瓷基的高熱導(dǎo)率的材料作基板外，也需要應(yīng)用金屬基的高熱導(dǎo)率的材料作管殼。

功率電子器件的高導(dǎo)熱封裝材料有哪些？

晶體管管殼

目前，常用的這類材料有W-Cu和Mo-Cu合金，SiCp/Al復(fù)合材料，高Si-Al復(fù)合材料以及金剛石/Cu和金剛石/Al復(fù)合材料等。

常用金屬封裝材料性能對(duì)比

功率電子器件的高導(dǎo)熱封裝材料有哪些？

其中，純Al、Cu和Ag等雖然具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，然而它們的較高熱膨脹系數(shù)很難與半導(dǎo)體器件相匹配；以Kovar合金為代表的膨脹合金，雖然膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體器件匹配較好，但其熱導(dǎo)率卻較低，密度也較高；W、Mo和隨后發(fā)展的W/Cu、Mo/Cu具有優(yōu)良的熱導(dǎo)率和機(jī)械性能，但是它們相對(duì)較高的密度、相對(duì)昂貴的價(jià)格等缺點(diǎn)也限制了其發(fā)展應(yīng)用。

隨著現(xiàn)代封裝技術(shù)對(duì)封裝材料的要求提高，材料的復(fù)合化已成為封裝材料發(fā)展的必然趨勢(shì)，因此，現(xiàn)在電子封裝更傾向于采用金屬基復(fù)合材料。通常以陶瓷（如AIN、BeO、si、SiC、Diamond等）為增強(qiáng)體材料，以金屬（如Al、Cu、Ag 等）為基體材料制備的高性能復(fù)合材料，綜合吸收各組元性能的優(yōu)點(diǎn)，甚至產(chǎn)生新的優(yōu)異性能，而成為代替?zhèn)鹘y(tǒng)電子封裝材料的最佳選擇。

幾種典型金屬基合金和復(fù)合材料性能對(duì)比

功率電子器件的高導(dǎo)熱封裝材料有哪些？

在各種金屬基復(fù)合材料中，最先引進(jìn)關(guān)注并得到大力發(fā)展的是高體分比SiCp-Al復(fù)合材料。一方面由于SiCp本身具有優(yōu)良的物理性能，另一方面則是因?yàn)镾iCp作為磨料的市場(chǎng)已經(jīng)非常成熟，價(jià)格較低。這種復(fù)合材料具有熱導(dǎo)率高、質(zhì)量輕、強(qiáng)度大、膨脹系數(shù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，不足之處是機(jī)械加工和焊接性能不如人意。由于高Si-Al復(fù)合材料這兩點(diǎn)性能較好，故現(xiàn)今在某些領(lǐng)域中已有部分取代前者的實(shí)例。

另一個(gè)熱點(diǎn)方向就是金剛石-Cu等復(fù)合材料，正作為第三代熱管材料而大力研究開發(fā)。金剛石室溫導(dǎo)熱率是已知實(shí)用材料中的最高者，特別適合于作為超大規(guī)模集成電路的熱沉材料。但因其熱膨脹系數(shù)大大低于常用半導(dǎo)體材料的熱膨脹系數(shù)，將金剛石與Cu、Ag、Al等復(fù)合，可實(shí)現(xiàn)散熱、膨脹匹配和低成本的三者良好結(jié)合。然而目前還有不少問題：金剛石與金屬的浸潤(rùn)性差；金剛石與金屬的界面結(jié)合差；金剛石與金屬的界面熱阻效應(yīng)大；復(fù)合材料燒結(jié)密度低，孔隙率大等。

總結(jié)

功率器件幾乎用于所有的電子制造業(yè)，目前其應(yīng)用范圍已從傳統(tǒng)的工業(yè)控制和4C產(chǎn)業(yè)（計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)類電子產(chǎn)品和汽車），擴(kuò)展到新能源、軌道交通、智能電網(wǎng)等新領(lǐng)域。對(duì)功率電子器件的封裝也隨之成了一門重要課題，材料的創(chuàng)新和生產(chǎn)工藝的研究需齊頭并進(jìn)，另外，針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域，不同的材料可以滿足不同的性能需求，深刻研究材料特性，總能找到最適合的應(yīng)用方向。