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鄒小姐：13326633089 -
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功(gong)率電(dian)子(zi)器件的設計(ji)，最主(zhu)要(yao)包(bao)括電(dian)參數設計(ji)、結構設計(ji)和熱耗散設計(ji)，迄(qi)今，真(zhen)空電子器件的發展方向(xiang)仍然是大功率、超高頻——頻率有至毫米波、亞毫米波，功率有達千瓦級、兆瓦級。分立器件和IC也一樣，半導體芯片數越來越多，電路集成度越來越高，其半導體元件絕緣基片的熱效應顯得更為重要。
但值得一提(ti)的是，不同功率電子器(qi)件對封裝(zhuang)材料(liao)的性能要求是(shi)不同的，例如功率真(zhen)空電子(zi)(zi)器件用輸出窗和(he)微(wei)電子(zi)(zi)行業用散(san)熱基板，大(da)多都是用陶瓷材料。
對(dui)功率真(zhen)空電子(zi)器件用輸出窗，其封裝材(cai)料基本性能要求如下：
①低的損耗角(jiao)正切值；②低的二次電子發射系數(shu)；③低的介(jie)電常數；④高(gao)的介(jie)電強度；⑤高的熱導率系(xi)數；⑥高的機械強度(du)；⑦適當的熱(re)膨脹系數(shu)；⑧易于(yu)金屬化和封接(jie)。
而微電子行業所用的陶瓷基板(ban)﹐其基本性能要求(qiu)是：
①高(gao)的體、表面電(dian)阻、高(gao)的絕緣(yuan)抗(kang)電(dian)強度(du)以及(ji)低的tgo和介電常數；②熱穩定好、熱導(dao)率高、熱膨脹(zhang)系數適(shi)當匹配；③機械強度大、翹曲度小(xiao)、表面粗(cu)糙度適當；④化學穩定性好(hao)、與(yu)制造電阻(zu)或導(dao)體(ti)及(ji)其漿料的相容性好(hao)。
陶瓷基板(ban)
高導(dao)熱陶(tao)瓷封(feng)裝材料
一般(ban)常見的(de)高熱導(dao)率的(de)陶瓷材料有金剛石、BeO、SiC、AlN、Si3N4和(he)CVD-BN等，其性(xing)能如下(xia)表：
這幾種材料(liao)在功率電子(zi)器件領域的(de)應用情況如(ru)下表：
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材料類(lei)型 |
性能特點 |
應用 |
不足(zu) |
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金剛石 |
介質損(sun)耗(hao)很低，且熱導率很高 |
化(hua)學氣相沉積（CVD）金剛石膜，是毫(hao)米(mi)波行波管特(te)別是3mm行波管(guan)輸出窗的(de)首(shou)選材(cai)料 |
熱膨脹系數很低，彈(dan)性模量很大(da)，焊接時與一般焊料的界面能(neng)(SL)很大，從而對制成輸出窗封接高質量的氣密性和強度性質帶來困難 |
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BeO |
熱導率僅次于金剛石，陶瓷成型方法多(duo)，燒結溫度較低，易(yi)于金屬(shu)化，封(feng)接強度較高(gao) |
用作高熱(re)導衰(shuai)減材料，BeO-SiC復合材料比AlN系性能更優 |
熱導(dao)率(lv)隨溫(wen)度的升高下降(jiang)較(jiao)快（大(da)于300℃），對高溫散熱不利，且BeO蒸氣、粉體有害，需注意防護，且受限于原材料純度，國內BeO陶瓷與國外有一定性能差距 |
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AlN |
高熱導率、二次電子發射系數特別低、熱膨脹系數與 Si匹配 |
半導(dao)體低功率器(qi)件(jian)的熱(re)沉材料，功(gong)率真(zhen)空電子器(qi)件輸出(chu)窗的優選材 料、部分領域替代Al2O3，制備高熱導率陶瓷基片、多(duo)層布線共燒基板和各種(zhong)填料等(deng) |
粉(fen)體易于水化(hua)，在流延等成(cheng)型工藝時，需(xu)添(tian)加大(da)量(liang)有機粘結劑，有環保問題；金屬化和焊接(jie)技術不夠成熟，封(feng)接(jie)強度較低；價(jia)格偏高，國內高端產品供應困(kun)難 |
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CVD-BN |
在現有可用的(de)陶瓷(ci)材料(liao)中，具有最大的(de)抗(kang)電擊(ji)穿強(qiang)度；非常低的介電(dian)常數(shu)；熱導(dao)率不隨溫度變化 |
功(gong)率真(zhen)空電子器件(jian)輸出(chu)窗(chuang)，電子器件(jian)封接材(cai)料等(deng) |
制(zhi)造工藝困難，陶瓷易于分層，密度不夠均勻和各向 異性突出(chu)；在(zai)封接結構設計時要(yao)縝密考慮各向異性引起材料性質的差異；制(zhi)造設備較貴(gui) |
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SiC |
高純度單晶(jing)體的熱導率僅次于金剛(gang)石，熱膨脹系數與Si接近，抗彎強度很大 |
SiC-BeO基板(ban)可得到近(jin)似BeO陶瓷的熱(re)導率和 較大體(ti)積電阻率，絕緣強度低，介(jie)電(dian)常數和介(jie)質耗損大(da)，故比較適合于(yu)低壓電(dian)路散熱基(ji)板以 及LED等散熱基板上 |
若不加任何燒結助(zhu)劑，需 要 很高的燒結溫度，介電常數大，介質(zhi)損耗大，介 電強度小 |
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Si3N4 |
熱(re)導率較(jiao)高，高抗熱(re)震性、高抗氧化性 |
陶瓷基板(ban)作(zuo)為高速電路和大功(gong)率器件散熱和封接(jie)材(cai)料 |
國內基板流延技術和金(jin)屬化(hua)技術還不太成熟 |
金屬基(ji)高熱導率合金和復(fu)合封(feng)裝(zhuang)材料
在功率電(dian)子器件中，除(chu)了需要應(ying)(ying)用陶瓷基的(de)高熱導(dao)率的(de)材(cai)料作基板外，也需要應(ying)(ying)用金(jin)屬基的(de)高熱導(dao)率的(de)材(cai)料作管殼。
晶體管管殼
目(mu)前(qian)，常用的這類材料有W-Cu和Mo-Cu合金(jin)，SiCp/Al復(fu)(fu)合材(cai)料，高(gao)Si-Al復(fu)(fu)合材(cai)料以及(ji)金(jin)剛石(shi)(shi)/Cu和金(jin)剛石(shi)(shi)/Al復(fu)(fu)合材(cai)料等。
常用金屬封裝材料性能對比
其中，純Al、Cu和Ag等雖然具有優異的導熱性能，然而它們的較高熱膨脹系數很難與半導體器件相匹配；以Kovar合金為代表的膨脹合金，雖(sui)然膨脹系數與半導(dao)體器(qi)件(jian)匹配較(jiao)好(hao)，但其熱導率(lv)卻較(jiao)低，密度也(ye)較(jiao)高(gao)；W、Mo和(he)隨后(hou)發展的W/Cu、Mo/Cu具有優良(liang)的熱導率和機械性能，但是(shi)它們相(xiang)對(dui)較高的密度、相(xiang)對(dui)昂貴的價格等缺點(dian)也限制了其發展應用。
隨著(zhu)現(xian)代封裝(zhuang)技術對(dui)封裝(zhuang)材料的要(yao)求提高，材料(liao)的復(fu)合(he)化已成為封(feng)裝材料(liao)發(fa)展的必(bi)然(ran)趨勢，因此(ci)，現在(zai)電子封裝更(geng)傾向于采用(yong)金屬基復合(he)材(cai)料。通常(chang)以(yi)陶瓷（如AIN、BeO、si、SiC、Diamond等）為增強體材料，以金屬（如Al、Cu、Ag 等）為基體材料制備的(de)高性(xing)能復合(he)材料，綜(zong)合吸(xi)收各組元性(xing)能的(de)優(you)點，甚至產生(sheng)新的(de)優(you)異性(xing)能，而成為代替傳統電子封裝材(cai)料的(de)最(zui)佳選擇。
幾(ji)種典型(xing)金屬基(ji)合(he)金和復合(he)材料性能(neng)對比
在各種金屬(shu)基(ji)復合材料中，最先引進關注(zhu)并得到大力發展(zhan)的(de)是高(gao)體(ti)分(fen)比SiCp-Al復合材料。一(yi)方面由于(yu)SiCp本身具有優良的物理性能，另一方面則是因為SiCp作為磨料的市場已經非常成熟，價格較低。這種復合材料具有熱導率高、質(zhi)量輕、強度(du)大、膨脹系數可調等優點，不(bu)足之處是機(ji)械加工和焊接性能不(bu)如人(ren)意。由于高Si-Al復合材料這兩點性(xing)能較好，故現今在某些領域中已有部分取代前者的實例(li)。
另一個熱點方向就是(shi)金剛石-Cu等復合材料，正作(zuo)為第(di)三代熱(re)(re)管材(cai)料(liao)而大(da)力研究開發。金(jin)剛石室溫導(dao)熱(re)(re)率是已知實用(yong)材(cai)料(liao)中的最(zui)高者，特別(bie)適合于(yu)作(zuo)為超(chao)大(da)規模集成電路的熱(re)(re)沉材(cai)料(liao)。但因(yin)其熱(re)(re)膨脹(zhang)系(xi)數大(da)大(da)低于(yu)常用(yong)半導(dao)體(ti)材(cai)料(liao)的熱(re)(re)膨脹(zhang)系(xi)數，將金剛石與(yu)Cu、Ag、Al等復合，可實現散熱、膨脹匹配和低成本的三者良好結合。然而(er)目前還有不少(shao)問題：金剛石(shi)(shi)與金屬的浸潤性(xing)差(cha)；金剛石(shi)(shi)與金屬的界面結合差(cha)；金剛石(shi)(shi)與金屬的界面熱阻效應大；復合材料燒結密(mi)度低，孔(kong)隙率大等。
總結
功(gong)率器(qi)件幾乎用于所有的電子制造業，目前其應用(yong)范圍已(yi)從(cong)傳統的工業控制(zhi)和4C產業（計算機、通信(xin)、 消費類電子產品和汽車），擴展到新(xin)能源、軌道交通、智能電網等(deng)新(xin)領域。對功率電子(zi)器件的(de)(de)(de)(de)(de)封裝也隨之成了一門(men)重要課題(ti)，材(cai)料的(de)(de)(de)(de)(de)創新和生產(chan)工藝的(de)(de)(de)(de)(de)研究需齊頭并(bing)進，另外(wai)，針對不(bu)同(tong)應用(yong)領域，不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)材(cai)料可(ke)以(yi)滿足不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)性能需求，深刻研究材(cai)料特性，總能找(zhao)到最適(shi)合的(de)(de)(de)(de)(de)應用(yong)方(fang)向。
在未來(lai)的封(feng)裝(zhuang)技術(shu)領(ling)域，復合材(cai)料的性能(neng)和工藝技術(shu)將會(hui)有更廣闊的應用(yong)，這就要求電(dian)子(zi)封(feng)裝(zhuang)科研(yan)(yan)人員(yuan)和相應的生產廠(chang)商密(mi)切關注并加強對相關研(yan)(yan)究的支持(chi)和重(zhong)視。
參考來源：
1. 功率電子器件用高熱(re)導熱(re)率的封接(jie)、封裝材(cai)料，高隴橋（北京真(zhen)空(kong)電子技術(shu)研究所）；
2. 電(dian)子(zi)封裝用金屬(shu)基復合材料的研究(jiu)現狀，張曉輝、王(wang)強（中國電(dian)子(zi)科技集團公司(si)，第十三研究(jiu)所）；
3. 電子封裝用高導熱顆粒增強(qiang)金屬基(ji)復合材料制備(bei)與研(yan)究，劉猛(meng)（國(guo)防科學技(ji)術大學研(yan)究生院）。
粉體圈 小吉
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