常見(jiàn)的功率半導(dǎo)體器件封裝用陶瓷基板材料

功率電子器件即功率半導(dǎo)體器件（power electronic device），通常是指用于控制大功率電路的電子器件（數(shù)十至數(shù)千安培的電流，數(shù)百伏以上的電壓）以及轉(zhuǎn)換電力設(shè)備間電能的器件。功率半導(dǎo)體器件的大規(guī)模集成化、大功率小型化、高效率低損耗、超高頻的發(fā)展而引發(fā)的電路發(fā)熱也迅速提高，電子封裝對(duì)基板材料的要求有：熱導(dǎo)率高、介電常數(shù)低、與芯片材料的熱膨脹系數(shù)相匹配、力學(xué)強(qiáng)度優(yōu)良、加工性能好、成本低、耐熱沖擊和冷熱循環(huán)等。

作為功率半導(dǎo)體器件第三次技術(shù)革命的代表性產(chǎn)品，IGBT模塊典型封裝結(jié)構(gòu)如圖所示，可以看出芯片產(chǎn)生的熱量主要通過(guò)基板和散熱器傳遞出去，因此基板所采用的材料需要導(dǎo)熱性能優(yōu)良、耐熱沖擊，同時(shí)介電常數(shù)要低，避免產(chǎn)生雜散電感，減少能源損耗。為實(shí)現(xiàn)機(jī)械固定，基板材料還需要具有一定的強(qiáng)度。

圖IGBT功率模塊封裝典型結(jié)構(gòu)

由于陶瓷材料具有強(qiáng)度高、絕緣性好、導(dǎo)熱和耐熱性能優(yōu)良、熱膨脹系數(shù)小、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，非常適合作為功率半導(dǎo)體器件封裝用基板材料。市面上常見(jiàn)的功率半導(dǎo)體器件封裝陶瓷基板大多采用直接覆銅（direct bonding copper，DBC）和活性金屬釬焊（active metal brazing，AMB）技術(shù)，此外還有直接敷鋁技術(shù)（Direct Bonded Aluminum，DBA），將不同的金屬材料（Cu、Al）與陶瓷材料互連，作為功率器件封裝用基板；目前市場(chǎng)上所用的陶瓷基板材料主要有氧化鋁（Al2O3）陶瓷基板、氮化鋁（AlN）陶瓷基板和氮化硅（Si3N4）陶瓷基板三種。

表三種陶瓷基板材料的性能對(duì)比

1、氧化鋁Al2O3

氧化鋁（Al2O3）具有高導(dǎo)熱性、高機(jī)械強(qiáng)度和良好的電氣性能、化學(xué)穩(wěn)定性好，與金屬附著性良好，并且價(jià)格低廉產(chǎn)量大，是陶瓷基板材料中使用量最多、應(yīng)用最成熟的材料。

但氧化鋁熱導(dǎo)率相對(duì)較低，芯片工作時(shí)產(chǎn)生的熱量沒(méi)法及時(shí)散出；氧化鋁的斷裂韌性較低，抗沖擊能力差；熱膨脹系數(shù)相對(duì)較高，與硅的適配性較差，在一定溫度下的反復(fù)循環(huán)中電子器件內(nèi)部容易累計(jì)應(yīng)力，從而造成芯片的失效概率大大升高，降低了器件的可靠性，不能滿足更大功率密度電子器件的使用要求，從而限制了其更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。

業(yè)內(nèi)在氧化鋁陶瓷成分的基礎(chǔ)上做一些改性，如摻雜氧化鋯，即氧化鋯增韌氧化鋁（ZTA，Zirconia Toughened Alumina）陶瓷，使其既具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，又有較高的機(jī)械強(qiáng)度，主要用于長(zhǎng)壽命和高可靠性的應(yīng)用。前面的文章我們?yōu)榇蠹易鲞^(guò)介紹，可以點(diǎn)擊查看：氧化鋯增韌氧化鋁（ZTA）基板的特點(diǎn)及應(yīng)用

國(guó)內(nèi)氧化鋁基板相關(guān)廠家有潮州三環(huán)、成都旭瓷、江西創(chuàng)科、奧諾新材料、六方鈺成、鄭州中瓷、粵科京華等。

2、氮化鋁AlN

早在20世紀(jì)80年代日本已經(jīng)成功生產(chǎn)出熱導(dǎo)率高達(dá)260W/(m·K)的AlN陶瓷基片，在次年就開(kāi)始推廣和應(yīng)用。AlN陶瓷具有優(yōu)良的熱導(dǎo)率、電絕緣性能和介電性能，與Si、SiC、GaN 等半導(dǎo)體芯片的熱膨脹系數(shù)相近，被認(rèn)為是新一代理想的功率電子器件封裝基板材料。

AlN 陶瓷熱導(dǎo)率高，其理論熱導(dǎo)率可以達(dá)到 319 W/(m·K)，市場(chǎng)上可獲得的 AlN 陶瓷由于其中雜質(zhì)和第二相的存在，導(dǎo)致熱導(dǎo)率下降，一般為100~260W/m·K。國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)提高AlN 陶瓷熱導(dǎo)率方面有諸多研究，如添加 Y2O3或者Y2O3-LaF3 ，使用新型粘結(jié)劑，改善燒結(jié)工藝等。

此外，AlN 陶瓷基板存在機(jī)械性能較差，如斷裂韌性，抗彎強(qiáng)度較低及熱震性較差。日本U-MAP開(kāi)發(fā)了一種纖維狀的氮化鋁單結(jié)晶Thermalnite，通過(guò)在原材料氮化鋁粉末中添加Thermalnite，改變陶瓷基板內(nèi)部的柱狀組織，提升氮化鋁基板的機(jī)械性能。

國(guó)內(nèi)相關(guān)廠家有華清、艾森達(dá)、成都旭瓷、潮州三環(huán)、臻璟新材、山東國(guó)瓷、無(wú)錫海古德、江西創(chuàng)科、浙江正天、六方鈺成、九豪、中瓷電子等。

3、氮化硅Si3N4

氮化硅綜合性能優(yōu)異，具有導(dǎo)熱性高、介電強(qiáng)度高以及與Si、SiC、GaN等的熱膨脹系數(shù)相匹配等特點(diǎn)，其理論熱導(dǎo)率高達(dá)200~300W/(m·K)，但氮化硅基板實(shí)際熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論熱導(dǎo)率的值，目前Si3N4陶瓷商用的熱導(dǎo)率達(dá)到90W/(m·K)，相對(duì)于AlN的熱導(dǎo)率低，但遠(yuǎn)大于Al2O3的熱導(dǎo)率，同時(shí)機(jī)械強(qiáng)度高，斷裂韌性好，高溫可靠性更好、抗熱震性優(yōu)異，是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)兼具高導(dǎo)熱、高可靠性等綜合性能最好的陶瓷基板材料，適用于IGBT、SiC等對(duì)大功率半導(dǎo)體器件等要求高可靠性的絕緣電路板用途。

氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率還有待進(jìn)一步提高。氮化硅陶瓷所含的氧雜質(zhì)是影響其熱導(dǎo)率的主要因素之一。氮化硅的氧雜質(zhì)一旦固溶到晶粒內(nèi)成為晶格氧就會(huì)引起晶格缺陷的產(chǎn)生，晶格缺陷又引起聲子散射，從而導(dǎo)致熱導(dǎo)率降低。如何降低氮化硅陶瓷的晶格氧含量，是提高的氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率的有效方法。

國(guó)內(nèi)氮化硅基板相關(guān)廠家有艾森達(dá)、成都旭瓷、江西創(chuàng)科、浙江正天、河北高富、中材高新、蘇州博勝、宜興紅星電子、福建臻璟、海古德、威海圓環(huán)、新疆晶碩等。

功率半導(dǎo)體器件上陶瓷材料的選擇需要根據(jù)應(yīng)用的需求從陶瓷的熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)、電絕緣性能、機(jī)械強(qiáng)度、成本等進(jìn)行綜合考慮，合適的就是最好的。

審核編輯：湯梓紅