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鄒小姐：13326633089 -
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從芯片到器件和系統(tǒng)的工藝過(guò)程都稱(chēng)為電子封裝，芯片只有經(jīng)過(guò)封裝才能成為一個(gè)完整的器件，才能具有特點(diǎn)的功能。半導(dǎo)體封裝一般可分為4級(jí)：0級(jí)封裝，晶圓的電路設(shè)計(jì)與制造；1級(jí)封裝，芯片之間的相互連接；2級(jí)封裝，元器件封裝到電路板；3級(jí)封裝，電路板組合在主板并形成最終電子產(chǎn)品。電子產(chǎn)品制備過(guò)程，封裝占總成本30-60%。
4級(jí)封裝：0級(jí)→1級(jí)→2級(jí)→3級(jí)
電子封裝的主要功能有4個(gè)，①機(jī)械保護(hù)：機(jī)械支撐與保護(hù)，防潮/防塵/防振（氣密封裝）；②電互聯(lián)：供電、信號(hào)傳輸與控制；③散熱、熱匹配等（功率半導(dǎo)體、高溫器件）；④導(dǎo)光：降低光損耗，提高出光效率。
封裝有4大功能的實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上有很多和IC封裝有關(guān)，比如說(shuō)機(jī)械支撐，芯片要放在基板上面去；第二要實(shí)現(xiàn)電互連，基板上面有很多電路層；第三解決散熱問(wèn)題，特別對(duì)于功率器件而言。目前常用基板分為三大類(lèi)，第一類(lèi)就是高分子樹(shù)脂基板，第二類(lèi)就是金屬基板，底下是個(gè)金屬層，上面是一個(gè)線路層，但是中間有一個(gè)絕緣層。第三類(lèi)就是陶瓷基板，也就是我們今天的重點(diǎn)。陶瓷材料本身具有熱導(dǎo)率高、耐熱性好、高絕緣、高強(qiáng)度、與芯片材料熱匹配等性能，非常適合作為功率器件封裝基板，目前已在半導(dǎo)體照明、激光與光通信、航空航天、汽車(chē)電子、深海鉆探等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。陶瓷基板又稱(chēng)陶瓷電路板，包括陶瓷基片和金屬線路層等。
一、陶瓷基片材料
目前，常用電子封裝陶瓷基片材料包括氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)、氮化硅(Si3N4)、氧化鈹(BeO)等。下面分別介紹其性能與技術(shù)特點(diǎn)。
1、氧化鋁
氧化鋁陶瓷呈白色，熱導(dǎo)率為20-30W/(m·K)，25°C~200°C溫度范圍內(nèi)熱膨脹系數(shù)為7.0×10-6/°C~8.0×10-6/°C，彈性模量約為300GPa，抗彎強(qiáng)度為300MPa~400MPa，介電常數(shù)為10。氧化鋁陶瓷具有原料來(lái)源豐富、價(jià)格低廉、絕緣性高、耐熱沖擊、抗化學(xué)腐蝕及機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，是一種綜合性能較好的陶瓷基片材料，占陶瓷基片材料總量的80%以上。但由于其熱導(dǎo)率相對(duì)較低(99%氧化鋁熱導(dǎo)率約為30W/(m·K)，熱膨脹系數(shù)較高，一般應(yīng)用在汽車(chē)電子、半導(dǎo)體照明、電氣設(shè)備等領(lǐng)域。
深色氧化鋁陶瓷封裝基板
氧化鋁陶瓷基片成型方法主要有軋膜法、流延法和凝膠注膜法等。其中后兩種方法采用去離子水代替有機(jī)溶劑，既可降低成本，也有利于環(huán)保，是Al2O3陶瓷片制備主要研究方向之一。
白色氧化鋁陶瓷封裝基板
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2、氮化鋁
氮化鋁材料呈灰白色，屬于六方晶系，是以[AlN4]四面體為結(jié)構(gòu)單元的纖鋅礦型共價(jià)鍵化合物。該結(jié)構(gòu)決定了其具有優(yōu)良的熱學(xué)、電學(xué)和力學(xué)性能。AlN陶瓷理論熱導(dǎo)率可達(dá)320W/(m·K)，其商用產(chǎn)品熱導(dǎo)率一般為180W/(m·K)~260W/(m·K)[9]，25°C~200°C溫度范圍內(nèi)熱膨脹系數(shù)為4×10-6/°C（與Si和GaAs等半導(dǎo)體芯片材料基本匹配），彈性模量為310GPa，抗彎強(qiáng)度為300MPa~340MPa，介電常數(shù)為8~10。
氮化鋁陶瓷基板
氮化鋁陶瓷熱導(dǎo)率為氧化鋁陶瓷的6~8倍，但熱膨脹系數(shù)只有其50%，此外還具有絕緣強(qiáng)度高、介電常數(shù)低、耐腐蝕性好等優(yōu)勢(shì)。除了成本較高外，氮化鋁陶瓷綜合性能均優(yōu)于氧化鋁陶瓷，是一種非常理想的電子封裝基片材料，尤其適用于導(dǎo)熱性能要求較高的領(lǐng)域。
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3、氮化硅陶瓷
Si3N4具有三種晶體結(jié)構(gòu)，分別是α相、β相和γ相(其中α與β相是最常見(jiàn)形態(tài))，均為六方結(jié)構(gòu)，其粉料與基片呈灰白色，如下圖所示。Si3N4陶瓷基片彈性模量為320GPa，抗彎強(qiáng)度為920MPa，熱膨脹系數(shù)僅為3.2×10-6/°C，介電常數(shù)為9.4，具有硬度大、強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)小、耐腐蝕性高等優(yōu)勢(shì)。由于Si3N4陶瓷晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)聲子散射較大，因此早期研究認(rèn)為其熱導(dǎo)率低，如Si3N4軸承球、結(jié)構(gòu)件等產(chǎn)品熱導(dǎo)率只有15W/(m·K)~30W/(m·K)。
TOSHIBA高導(dǎo)熱氮化硅基板
后來(lái)科學(xué)家通過(guò)經(jīng)典固體傳輸理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，Si3N4材料熱導(dǎo)率低的主要原因與晶格內(nèi)缺陷、雜質(zhì)等有關(guān)，并預(yù)測(cè)其理論值最高可達(dá)320W/(m·K)。之后，許多科學(xué)家在提高Si3N4材料熱導(dǎo)率方面出現(xiàn)了大量的研究，通過(guò)工藝優(yōu)化，氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率不斷提高，目前已突破177W/(m·K)。Si3N4陶瓷傳熱機(jī)制同樣為聲子傳熱。晶格中的雜質(zhì)往往伴隨著空位、位錯(cuò)等結(jié)構(gòu)缺陷，降低了聲子平均自由程，導(dǎo)致熱導(dǎo)率降低，因此制備高純粉體是制備高熱導(dǎo)率Si3N4陶瓷的關(guān)鍵。
目在現(xiàn)有可作為基板材料使用的陶瓷材料中，Si3N4陶瓷抗彎強(qiáng)度高(大于800MPa)，耐磨性好，是綜合機(jī)械性能最好的陶瓷材料，同時(shí)其熱膨脹系數(shù)最小，因而被認(rèn)為是一種很有潛力的功率器件封裝基片材料。但是其制備工藝復(fù)雜，成本較高，熱導(dǎo)率偏低，主要適合應(yīng)用于強(qiáng)度要求較高但散熱要求不高的領(lǐng)域。
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4、氧化鈹
BeO材料密度低，具有纖鋅礦型和強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，其粉末與基片均為白色（見(jiàn)下圖）。BeO導(dǎo)熱率是Al2O3的十幾倍，適用于大功率電路，如純度為99%的BeO陶瓷室溫?zé)釋?dǎo)率可達(dá)310W/(m·K)；其禁帶寬度高達(dá)10.6eV，介電常數(shù)低至6.7，可用于高頻電路；彈性模量為350GPa，抗彎強(qiáng)度為200MPa，具有良好的綜合性能。BeO基板基本上采用干壓法制作，此外也可在其中添加微量的MgO及Al2O3等利用生片法制作BeO基板。
但優(yōu)秀的它還是有些不足之處的，由于BeO粉末的毒性，存在環(huán)境問(wèn)題，在日本不允許生產(chǎn)BeO基板，只能從美國(guó)進(jìn)口；BeO燒結(jié)溫度高達(dá)1900°C以上，生產(chǎn)成本高；BeO熱導(dǎo)率隨著溫度升高而降低，如在0°C~600°C溫度范圍內(nèi)，BeO陶瓷平均熱導(dǎo)率為206.67W/(m·K)，但當(dāng)溫度升高到800°C時(shí)，其熱導(dǎo)率降低為十分之一，上述原因限制了氧化鈹?shù)耐茝V應(yīng)用。
氧化鈹陶瓷基板
但在某些大功率、高頻半導(dǎo)體器件以及航空電子設(shè)備和衛(wèi)星通訊中，為了追求高導(dǎo)熱和理想高頻特性，仍在采用BeO陶瓷基片。目前，美國(guó)是全球主要的BeO陶瓷基板生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，福特和通用等汽車(chē)公司在點(diǎn)火裝置中大量使用BeO陶瓷基板。
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1、這款軍工專(zhuān)用的陶瓷材料真是深藏不露（不用猜了就是氧化鈹哈哈）
5、其他
除了上述陶瓷材料外，碳化硅(SiC)、氮化硼(BN)等也都可作為陶瓷基片材料。其中，SiC單晶材料室溫?zé)釋?dǎo)率可達(dá)490W/(m·K)，但SiC多晶體熱導(dǎo)率僅為67W/(m·K)。此外，SiC材料介電常數(shù)為40，是AlN陶瓷的4倍，限制了其高頻應(yīng)用。BN材料具有較好的綜合性能，但作為基片材料，它沒(méi)有突出優(yōu)點(diǎn)，且價(jià)格昂貴，與半導(dǎo)體材料熱膨脹系數(shù)也不匹配。
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總體而言，陶瓷基板在功率器件封裝中占據(jù)舉足輕重的作用，是各國(guó)重點(diǎn)研發(fā)的關(guān)鍵電子材料。 陶瓷基板核心技術(shù)研發(fā)包括陶瓷粉料、陶瓷基片及陶瓷基板制備技術(shù)等都是非常值得我們關(guān)注的領(lǐng)域。但前文也有說(shuō)，陶瓷基板由基片及金屬線路層組成，因此，除了要知道陶瓷基片有啥材質(zhì)，那如何做成板板呢？上文也為大家展示了部分已經(jīng)金屬化的陶瓷基板產(chǎn)品圖片，下期小編與大家一起探討一下各種不同類(lèi)型的陶瓷基板的工藝路線，關(guān)注粉體圈，持續(xù)更新更多精彩文章哦。
編輯：粉體圈Alpha
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