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邹小姐：13326633089 -
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功率电(dian)子器件的设(she)计，最(zui)主(zhu)要包括电(dian)参数设(she)计、结构设(she)计和热耗(hao)散设(she)计，迄今，真空电子器(qi)件的发展方向仍然(ran)是大功(gong)率、超高频——频率有至毫米波、亚毫米波，功率有达千瓦级、兆瓦级。分立器件和IC也一样，半导体芯片数越来越多，电路集成度越来越高，其半导体元件绝缘基片的热效应显得更为重要。
但值得一提的是，不同功率电子器件对(dui)封(feng)装(zhuang)材(cai)料(liao)的性(xing)能要求是不同的，例如功率真空电(dian)(dian)子器件(jian)用输出(chu)窗(chuang)和(he)微电(dian)(dian)子行业用散热基(ji)板，大多都是用陶瓷材料。
对(dui)功率真空电子器件用输出窗，其封装材料基本性能要求如下(xia)：
①低的损耗角正(zheng)切值(zhi)；②低(di)的二次电(dian)子发(fa)射系数；③低的介电常数；④高(gao)的介电强度；⑤高的热导率系数；⑥高的机械强度；⑦适当(dang)的热膨胀系(xi)数；⑧易于金属(shu)化和封接。
而微电子行(xing)业(ye)所用(yong)的陶瓷基(ji)板﹐其基(ji)本性(xing)能要求(qiu)是：
①高的(de)(de)(de)体、表面电(dian)阻(zu)、高的(de)(de)(de)绝缘抗电(dian)强度以及(ji)低的(de)(de)(de)tgo和介电常数；②热(re)稳定好、热(re)导率高、热(re)膨胀系数适(shi)当匹(pi)配；③机(ji)械(xie)强度(du)(du)大、翘曲度(du)(du)小、表面(mian)粗糙度(du)(du)适当；④化学稳定(ding)性(xing)好(hao)、与(yu)制造电(dian)阻或(huo)导体及(ji)其浆(jiang)料的(de)相容性(xing)好(hao)。
陶(tao)瓷基板
高导热陶(tao)瓷(ci)封装(zhuang)材料(liao)
一般常(chang)见的(de)高热导率(lv)的(de)陶瓷(ci)材料有金刚石、BeO、SiC、AlN、Si3N4和CVD-BN等，其性能如(ru)下(xia)表：
这几种材(cai)料在功(gong)率电子器件领域的应用(yong)情况(kuang)如下(xia)表：
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材料(liao)类型(xing) |
性能特点 |
应用 |
不(bu)足 |
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金刚石 |
介(jie)质损(sun)耗(hao)很(hen)低(di)，且热导(dao)率(lv)很(hen)高 |
化学气相沉(chen)积（CVD）金刚(gang)石(shi)膜，是毫米波行波管特别是3mm行波管输(shu)出窗的首选材(cai)料 |
热膨(peng)胀系(xi)数很低，弹性(xing)模量很大(da)，焊接时与一(yi)般焊料的(de)界面能(SL)很大，从而对制成输出窗封接高质量的气密性和强度性质带来困难 |
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BeO |
热导率仅(jin)次(ci)于金(jin)(jin)刚(gang)石，陶瓷成型(xing)方(fang)法多，烧结温度较(jiao)低，易于金(jin)(jin)属化，封(feng)接(jie)强度较(jiao)高 |
用作高(gao)热导衰减材料，BeO-SiC复合材料比AlN系性能更优 |
热导率随温度的升高下降较(jiao)快（大(da)于300℃），对高温散热不利，且BeO蒸气、粉体有害，需注意防护，且受限于原材料纯度，国内BeO陶瓷与国外有一定性能差距 |
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AlN |
高热导率(lv)、二次电(dian)子发(fa)射系(xi)数(shu)特别(bie)低、热膨胀系(xi)数(shu)与(yu) Si匹配 |
半导(dao)体低功率器件的热沉材(cai)料，功率真空电(dian)子器件输出窗的优(you)选材 料、部分领域替代Al2O3，制备高热(re)导(dao)率(lv)陶瓷基(ji)片(pian)、多层布(bu)线共烧(shao)基(ji)板和各种填料等 |
粉体易于水(shui)化，在(zai)流延等(deng)成型(xing)工(gong)艺时，需添加大(da)量有机粘(zhan)结剂，有环保问题；金属化(hua)和焊(han)接技术(shu)不够(gou)成熟，封接强(qiang)度(du)较(jiao)低；价格偏(pian)高，国内(nei)高端产品供应困难 |
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CVD-BN |
在现有(you)可用的(de)陶瓷材料中，具(ju)有(you)最(zui)大的(de)抗电(dian)击穿强度；非常(chang)低的介(jie)电(dian)常(chang)数；热导率不随温度(du)变化 |
功率真空电(dian)子(zi)器件输出窗，电(dian)子(zi)器件封(feng)接材料等 |
制造工艺困难，陶瓷易于分层，密度不够均匀和(he)各(ge)向 异性(xing)突出；在封(feng)接结构设(she)计(ji)时要缜密(mi)考虑(lv)各向异(yi)性引起(qi)材料性质的(de)差异(yi)；制造设(she)备较贵(gui) |
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SiC |
高纯度单晶体的热导率仅次(ci)于金刚石，热膨胀(zhang)系(xi)数与Si接近，抗弯强度很大 |
SiC-BeO基板可得(de)到近(jin)似BeO陶(tao)瓷(ci)的热(re)导率和 较大体积电阻(zu)率，绝缘(yuan)强(qiang)度低，介电常数和介质耗损大，故比较适合于低压电路(lu)散热基板以(yi) 及(ji)LED等散热基板上 |
若不加(jia)任何(he)烧结助剂(ji)，需 要 很高的烧结温度，介(jie)电常数大，介(jie)质损耗大，介(jie) 电强度小 |
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Si3N4 |
热导率较高(gao)，高(gao)抗(kang)热震(zhen)性、高(gao)抗(kang)氧化性 |
陶瓷基(ji)板(ban)作为(wei)高(gao)速(su)电路和(he)大功率(lv)器件(jian)散热和(he)封接材料(liao) |
国内基板流延(yan)技(ji)术(shu)和金属化技(ji)术(shu)还不太成熟 |
金(jin)属基(ji)高热导率(lv)合金(jin)和复合封装材(cai)料
在功率电(dian)子器(qi)件中，除(chu)了(le)需(xu)要(yao)应用陶瓷基(ji)(ji)的高(gao)热导率的材料作基(ji)(ji)板外(wai)，也需(xu)要(yao)应用金(jin)属基(ji)(ji)的高(gao)热导率的材料作管(guan)壳。
晶体(ti)管(guan)(guan)管(guan)(guan)壳
目前，常(chang)用的这类材(cai)料有(you)W-Cu和(he)Mo-Cu合金(jin)，SiCp/Al复(fu)(fu)合材(cai)料，高Si-Al复(fu)(fu)合材(cai)料以(yi)及金(jin)刚石/Cu和(he)金(jin)刚石/Al复(fu)(fu)合材(cai)料等。
常用金(jin)属封装材料性能(neng)对比
其(qi)中，纯(chun)Al、Cu和Ag等虽然具有优异的导热性能，然而它们的较高热膨胀系数很难与半导体器件相匹配；以(yi)Kovar合金为代表的膨胀合金，虽然膨胀(zhang)系(xi)数与半导体器件匹(pi)配较好(hao)，但(dan)其热导率却较(jiao)低，密度也较(jiao)高；W、Mo和随(sui)后发展的(de)W/Cu、Mo/Cu具有(you)优(you)良的(de)热导率和机械性(xing)能，但是它们相对较(jiao)高的密度、相对昂贵的价格等缺点也(ye)限制了(le)其(qi)发展(zhan)应用。
随(sui)着现代封装(zhuang)技术对封装(zhuang)材料的要求提(ti)高，材料的(de)复合化已成为封(feng)装材料发(fa)展的(de)必然趋势，因此(ci)，现在电(dian)子封(feng)装更倾向于采用(yong)金属基复合(he)材料。通(tong)常以陶(tao)瓷（如AIN、BeO、si、SiC、Diamond等）为增强体材料，以金属（如Al、Cu、Ag 等）为基体材料制备的(de)高性(xing)能复合(he)材料，综合吸收(shou)各组元性能(neng)的(de)优(you)点，甚至产生新的(de)优(you)异性能(neng)，而成为代替传统电子封装材料的(de)最佳(jia)选择(ze)。
几种典型金(jin)属基合(he)金(jin)和复合(he)材料性(xing)能对比
在各种金(jin)属基复合(he)材(cai)料中(zhong)，最先引进关注(zhu)并得到大(da)力发展的(de)是高体(ti)分(fen)比(bi)SiCp-Al复合材料。一方面(mian)由于SiCp本身具有优良的物理性能，另一方面则是因为SiCp作为磨料的市场已经非常成熟，价格较低。这种复合材料具有热(re)导率高、质量轻、强度大(da)、膨胀系数可调等优点，不(bu)(bu)足之处是(shi)机械加工和(he)焊接性能不(bu)(bu)如人意。由于高Si-Al复合材料(liao)这两(liang)点性能(neng)较好，故现今在某些领域中(zhong)已有部分取(qu)代前者的实(shi)例。
另一个热点方向就是金刚(gang)石(shi)-Cu等复合材料，正作(zuo)为第(di)三代(dai)热管(guan)材(cai)(cai)(cai)料(liao)而大(da)力(li)研究(jiu)开发。金刚石(shi)室温(wen)导(dao)热率是已知实用材(cai)(cai)(cai)料(liao)中(zhong)的最高者，特(te)别适合于(yu)作(zuo)为超大(da)规模集(ji)成电路(lu)的热沉(chen)材(cai)(cai)(cai)料(liao)。但因其热膨胀(zhang)系数大(da)大(da)低(di)于(yu)常(chang)用半导(dao)体(ti)材(cai)(cai)(cai)料(liao)的热膨胀(zhang)系数，将(jiang)金刚石与Cu、Ag、Al等复合，可实现散热、膨胀匹配和低成本的三者良好结合。然而目前还(hai)有不(bu)少问题：金刚石与(yu)(yu)金属(shu)的(de)浸润性差；金刚石与(yu)(yu)金属(shu)的(de)界(jie)面结合差；金刚石与(yu)(yu)金属(shu)的(de)界(jie)面热阻效应大；复合材(cai)料烧结密度(du)低，孔隙率大等。
总结
功率(lv)器件几乎用于所有(you)的电子制造(zao)业，目前其应(ying)用范(fan)围已从传统的工业控(kong)制和4C产业（计算机(ji)、通信、 消费类电子产品和汽车），扩展到新(xin)能源(yuan)、轨道(dao)交(jiao)通(tong)、智(zhi)能电网(wang)等新(xin)领域。对功率电子器件的(de)封(feng)装也随之成(cheng)了一门重要课题，材(cai)料(liao)的(de)创新和生产工艺的(de)研(yan)究(jiu)需齐头并进，另(ling)外，针对不(bu)(bu)同应用领(ling)域，不(bu)(bu)同的(de)材(cai)料(liao)可以满(man)足不(bu)(bu)同的(de)性(xing)能需求，深刻研(yan)究(jiu)材(cai)料(liao)特性(xing)，总能找(zhao)到最适合的(de)应用方向。
在未来的(de)(de)封装技术领域，复合材料的(de)(de)性能和工艺技术将会有更广阔的(de)(de)应(ying)用，这就(jiu)要(yao)求电子封装科研人(ren)员和相(xiang)应(ying)的(de)(de)生产厂商密(mi)切关注并加强(qiang)对相(xiang)关研究的(de)(de)支(zhi)持(chi)和重(zhong)视。
参考来(lai)源：
1. 功率(lv)电(dian)(dian)子器件用高热导(dao)热率(lv)的封接(jie)、封装材料，高陇桥（北(bei)京(jing)真空(kong)电(dian)(dian)子技术研究所）；
2. 电子封装用金属基复合材料(liao)的研(yan)究现状，张晓辉、王强（中国电子科(ke)技集团公司，第十三(san)研(yan)究所）；
3. 电子封装用高导(dao)热颗粒(li)增强金(jin)属基(ji)复合材(cai)料制备与研究，刘猛（国防(fang)科学(xue)技(ji)术大(da)学(xue)研究生院(yuan)）。
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