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邹小姐：13326633089 -
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从芯片到器件(jian)和系统的(de)工艺过(guo)(guo)程都称为(wei)电子封(feng)装(zhuang)，芯片只有(you)(you)经过(guo)(guo)封(feng)装(zhuang)才能(neng)成为(wei)一个完整的(de)器件(jian)，才能(neng)具有(you)(you)特点的(de)功(gong)能(neng)。半导体封(feng)装(zhuang)一般可(ke)分为(wei)4级：0级封装，晶圆的电路设计与制造；1级封装，芯片之间的相互连接；2级封装，元器件封装到电路板；3级封装，电路板组合在主板并形成最终电子产品。电子产品制备过程，封装占总成本30-60%。
4级(ji)封(feng)装：0级(ji)→1级(ji)→2级(ji)→3级(ji)
电(dian)子封装(zhuang)的主要功能有4个，①机械保护：机械支撑与保护，防潮/防尘/防振（气密封装）；②电互联：供电、信号传输与控制；③散热、热匹配等（功率半导体、高温器件）；④导光：降低光损耗，提高出光效率。
封(feng)装有4大功能的实现，实际上有很多和IC封装有关，比如说机械支撑，芯片要放在基板上面去；第二要实现电互连，基板上面有很多电路层；第三解决散热问题，特别对于功率器件而言。目前常用基板分为三大类，第一类就是高分子树脂基板，第二类就是金属基板，底下是个金属层，上面是一个线路层，但是中间有一个绝缘层。第三类就是陶瓷基板，也就是我们今天的重点。陶瓷材(cai)料本身具有热导率高(gao)、耐(nai)热性好(hao)、高(gao)绝缘、高(gao)强度(du)、与芯片(pian)材(cai)料热匹配等(deng)(deng)性能，非常适合作为功(gong)率器件封装基(ji)(ji)板(ban)，目前(qian)已(yi)在半(ban)导体照(zhao)明、激光与光通信、航空航天、汽(qi)车电子、深海钻探等(deng)(deng)领域得到广泛应(ying)用。陶瓷基(ji)(ji)板(ban)又称(cheng)陶瓷电路(lu)板(ban)，包括陶瓷基(ji)(ji)片(pian)和金(jin)属(shu)线路(lu)层等(deng)(deng)。
一(yi)、陶瓷基片(pian)材料(liao)
目前(qian)，常用电子封装陶(tao)瓷基片材料(liao)包括氧化(hua)铝(lv)(Al2O3)、氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)、氧化铍(BeO)等。下面分别介绍其性能与技术特点。
1、氧(yang)化铝(lv)
氧(yang)化铝陶瓷呈白(bai)色，热导率为20-30W/(m·K)，25°C~200°C温度范围内热膨胀系数为7.0×10-6/°C~8.0×10-6/°C，弹性(xing)模量约为(wei)300GPa，抗弯强(qiang)度为300MPa~400MPa，介电常数为10。氧化(hua)铝陶瓷(ci)具有原料来源丰富(fu)、价格低廉、绝缘性(xing)高、耐热冲击、抗化(hua)学腐蚀及(ji)机械强(qiang)度(du)高等优(you)点，是一(yi)种(zhong)综合性(xing)能(neng)较(jiao)好的陶瓷(ci)基片材料，占陶瓷(ci)基片材料总量的80%以上。但由于其热导率相对较低(99%氧化铝热导率约为30W/(m·K)，热膨胀系数较高，一般应用在汽车电子、半导体照明、电气设备等领域。
深色氧化(hua)铝(lv)陶瓷封装基板
氧化(hua)铝(lv)陶(tao)瓷基片(pian)成型(xing)方法主要(yao)有轧膜法、流延法和凝胶注(zhu)膜法等。其中后两种方法采用去(qu)离子水代(dai)替有机溶(rong)剂，既可降低(di)成本，也(ye)有利于(yu)环保，是(shi)Al2O3陶瓷片制(zhi)备主(zhu)要研究方向之一。
白色氧(yang)化铝(lv)陶瓷封装基板
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2、氮化铝(lv)
氮化铝材料(liao)呈灰(hui)白色(se)，属于(yu)六(liu)方晶系，是以[AlN4]四面体为结构单元的纤锌矿型共价键化合物。该结构决定了其具有优良的热学、电学和力学性能。AlN陶瓷理论热导率可达320W/(m·K)，其商用产品热导率一般为180W/(m·K)~260W/(m·K)[9]，25°C~200°C温度范围内热膨胀系数为4×10-6/°C（与(yu)Si和GaAs等半导(dao)体芯片材料基本匹配），弹性(xing)模量为(wei)310GPa，抗弯强度为(wei)300MPa~340MPa，介电(dian)常数为(wei)8~10。
氮化铝陶瓷基板
氮化铝陶瓷(ci)热导(dao)率为(wei)氧(yang)化铝陶瓷(ci)的(de)6~8倍(bei)，但热膨胀(zhang)系数只有其50%，此外(wai)还(hai)具有绝缘强度高(gao)、介电(dian)常数低、耐腐蚀性好等优势。除了成本较(jiao)高(gao)外(wai)，氮化铝陶瓷(ci)综(zong)合性能(neng)均优于氧化铝陶瓷(ci)，是一(yi)种非常理想(xiang)的(de)电(dian)子封装基片材料，尤(you)其适用于导热性能(neng)要求较(jiao)高(gao)的(de)领域。
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3、氮化(hua)硅陶瓷(ci)
Si3N4具有三(san)种(zhong)晶(jing)体(ti)结构，分别(bie)是α相、β相和γ相(其中α与β相是最常见形态)，均为六方结构，其粉料与基片呈灰白色，如下(xia)图(tu)所示。Si3N4陶瓷基片(pian)弹性模量为(wei)320GPa，抗弯强度为920MPa，热膨胀系数仅为3.2×10-6/°C，介电(dian)常数为9.4，具(ju)有硬度大、强度高(gao)、热膨胀系数小、耐腐蚀性高(gao)等优势(shi)。由于Si3N4陶瓷(ci)晶体结构复杂，对声子散(san)射较大，因此早期研究认(ren)为(wei)其热导(dao)率低，如Si3N4轴(zhou)承(cheng)球、结构件等产品热导率只有15W/(m·K)~30W/(m·K)。
TOSHIBA高导热氮(dan)化硅基板
后来(lai)科学(xue)家通过(guo)经典(dian)固体传(chuan)输理论计算发现，Si3N4材料热导(dao)率低的(de)主(zhu)要原因(yin)与(yu)晶格(ge)内缺陷(xian)、杂质等有关，并(bing)预(yu)测其(qi)理论值最高可达320W/(m·K)。之后，许多科学家在提高Si3N4材料热(re)导(dao)率方面出现(xian)了大(da)量的研究，通过工艺优(you)化(hua)，氮化(hua)硅陶瓷(ci)热(re)导(dao)率不断(duan)提高，目前已突(tu)破177W/(m·K)。Si3N4陶瓷(ci)传热机(ji)制(zhi)(zhi)同样为声子(zi)传热。晶格中(zhong)的杂质往往伴随(sui)着(zhe)空位、位错等结构缺陷，降低(di)了(le)声子(zi)平均自由程，导(dao)致热导(dao)率降低(di)，因此制(zhi)(zhi)备高(gao)纯(chun)粉体是制(zhi)(zhi)备高(gao)热导(dao)率Si3N4陶(tao)瓷的关(guan)键(jian)。
目(mu)在现有可(ke)作为基(ji)板材料使(shi)用的陶瓷材料中(zhong)，Si3N4陶瓷抗弯(wan)强度高(大于800MPa)，耐磨性好，是(shi)综合机械性能最好的陶瓷(ci)材(cai)料，同时(shi)其热膨胀系数最小，因而被认为是(shi)一(yi)种很有潜(qian)力的功率器件封装基片(pian)材(cai)料。但是其制备工艺(yi)复杂(za)，成(cheng)本较高(gao)，热(re)导率偏低，主要适合应用(yong)于强度要求较高(gao)但散热(re)要求不高(gao)的领(ling)域。
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4、氧化铍
BeO材料密度低，具有纤锌矿型和强共价键结构，其粉末与基(ji)片均为白色（见下图(tu)）。BeO导热率是Al2O3的十几倍，适用于大(da)功率电路，如纯(chun)度为99%的BeO陶瓷室温热导率可达310W/(m·K)；其禁带(dai)宽度高达(da)10.6eV，介电常数低(di)至6.7，可用于高频(pin)电(dian)路；弹性模量为350GPa，抗弯(wan)强度为200MPa，具有良好(hao)的综合性能。BeO基板基本上采用干压法制作，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。
但优秀(xiu)的它(ta)还是有些不足(zu)之(zhi)处的，由于BeO粉末的毒性，存在环境问题，在日本不允许生产BeO基板，只能从美国进口；BeO烧结温度(du)高达1900°C以上，生产成本高；BeO热导率随着温度升高而降低，如在0°C~600°C温度范围内，BeO陶(tao)瓷平(ping)均热导(dao)率为(wei)206.67W/(m·K)，但当(dang)温度升高到800°C时(shi)，其(qi)热(re)导率降低(di)为十(shi)分(fen)之一，上述原(yuan)因限制了氧化(hua)铍的推广(guang)应用。
氧化铍陶瓷基(ji)板
但在(zai)某(mou)些大功率、高(gao)频半导体器件以及航空(kong)电子设备和卫星通(tong)讯中，为(wei)了追求(qiu)高(gao)导热和理想(xiang)高(gao)频特性，仍(reng)在(zai)采用BeO陶(tao)瓷基片。目(mu)前，美(mei)国是(shi)全(quan)球主要的BeO陶瓷基板生(sheng)产和消费国，福特和通用等(deng)汽车公司(si)在点火装置中(zhong)大量(liang)使用BeO陶瓷基板。
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5、其他(ta)
除了上述陶瓷材料外，碳化硅(SiC)、氮化硼(BN)等也都可作为陶瓷基片材料。其中，SiC单晶材料室温热导率可达490W/(m·K)，但SiC多晶体热导率仅为67W/(m·K)。此外，SiC材料介电常数为40，是AlN陶瓷的4倍，限制了其高频应用。BN材料具有较好的综合性能，但作为基片材料，它没有突出优点，且价格昂贵，与半导体材料热膨胀系数也不匹配。
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总体而言，陶(tao)瓷(ci)基(ji)板在功率器件(jian)封装中占据(ju)举(ju)足轻(qing)重的(de)作用，是各国(guo)重点研发(fa)的(de)关键电子材料。 陶瓷基板核心技术研发包括陶瓷粉料、陶瓷基片及陶瓷基板制备技术等都是非常值得我们关注的领域。但前文也有说，陶瓷基板由基片及金(jin)属(shu)线路(lu)层组成，因此，除(chu)了要知(zhi)道陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)基(ji)(ji)片有(you)啥材质，那(nei)如(ru)何做成板(ban)板(ban)呢？上文也为大家展示了部分(fen)已经(jing)金(jin)属(shu)化的(de)陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)基(ji)(ji)板(ban)产品(pin)图片，下期小编(bian)与大家一(yi)起探讨一(yi)下各种(zhong)不同(tong)类型的(de)陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)基(ji)(ji)板(ban)的(de)工艺(yi)路(lu)线，关注粉体(ti)圈，持续更(geng)新(xin)更(geng)多(duo)精彩文章哦。
编(bian)辑：粉体圈Alpha
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