電子封裝陶瓷基板-之陶瓷基片材料

隨著功率器件特別是第三代半導(dǎo)體的崛起與應(yīng)用，半導(dǎo)體器件逐漸向大功率、小型化、集成化、多功能等方向發(fā)展，對封裝基板性能也提出了更高要求。陶瓷基板 (又稱陶瓷電路板) 具有熱導(dǎo)率高、耐熱性好、熱膨脹系數(shù)低、機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性好、耐腐蝕、抗輻射等特點，在電子器件封裝中得到廣泛應(yīng)用。

第一代半導(dǎo)體以硅 (Si)、鍺 (Ge) 材料為代表，主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)運算領(lǐng)域，奠定了微電子產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。第二代半導(dǎo)體以砷化鎵 (GaAs)、磷化銦 (InP) 為代表，主要應(yīng)用于通信領(lǐng)域，用于制作高性能微波、毫米波及發(fā)光器件，奠定了信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。隨著技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用需要的不斷延伸，二者的局限性逐漸體現(xiàn)出來，難以滿足高頻、高溫、高功率、高能效、耐惡劣環(huán)境以及輕便小型化等使用需求。

以碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 為代表的第三代半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大、臨界擊穿電壓高、熱導(dǎo)率高、載流子飽和漂移速度大等特點，其制作的電子器件可在 300°C 甚至更高溫度下穩(wěn)定工作 (又稱為功率半導(dǎo)體或高溫半導(dǎo)體)，是固態(tài)光源 (如 LED)、激光器 (LD)、電力電子 (如IGBT)、聚焦光伏 (CPV)、微波射頻 (RF) 等器件的“核芯”，在半導(dǎo)體照明、汽車電子、新一代移動通信 (5G)、新能源與新能源汽車、高速軌道交通、消費類電子等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，有望突破傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)瓶頸，與第一代、第二代半導(dǎo)體技術(shù)互補(bǔ)，在光電器件、電力電子、汽車電子、航空航天、深井鉆探等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值，對節(jié)能減排、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、催生新經(jīng)濟(jì)增長點將發(fā)揮重要作用。

伴隨著功率器件 (包括 LED、LD、IGBT、CPV 等) 不斷發(fā)展，散熱成為影響器件性能與可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。對于電子器件而言，通常溫度每升高 10°C，器件有效壽命就降低 30% ~ 50%。因此，選用合適的封裝材料與工藝、提高器件散熱能力就成為發(fā)展功率器件的技術(shù)瓶頸。以大功率 LED 封裝為例，由于輸入功率的 70% ~ 80% 轉(zhuǎn)變成為熱量 (只有約 20% ~ 30% 轉(zhuǎn)化為光能)，且 LED 芯片面積小，器件功率密度很大 (大于 100 W/cm2)，因此散熱成為大功率 LED 封裝必須解決的關(guān)鍵問題。如果不能及時將芯片發(fā)熱導(dǎo)出并消散，大量熱量將聚集在 LED 內(nèi)部，芯片結(jié)溫將逐步升高，一方面使 LED 性能降低 (如發(fā)光效率降低、波長紅移等)，另一方面將在 LED 器件內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，引發(fā)一系列可靠性問題 (如使用壽命、色溫變化等)。

封裝基板主要利用材料本身具有的高熱導(dǎo)率，將熱量從芯片 (熱源) 導(dǎo)出，實現(xiàn)與外界環(huán)境的熱交換。對于功率半導(dǎo)體器件而言，封裝基板必須滿足以下要求：

(1) 高熱導(dǎo)率。目前功率半導(dǎo)體器件均采用熱電分離封裝方式，器件產(chǎn)生的熱量大部分經(jīng)由封裝基板傳播出去，導(dǎo)熱良好的基板可使芯片免受熱破壞。

(2) 與芯片材料熱膨脹系數(shù)匹配。功率器件芯片本身可承受較高溫度，且電流、環(huán)境及工況的改變均會使其溫度發(fā)生改變。由于芯片直接貼裝于封裝基板上，兩者熱膨脹系數(shù)匹配會降低芯片熱應(yīng)力，提高器件可靠性。

(3) 耐熱性好，滿足功率器件高溫使用需求，具有良好的熱穩(wěn)定性。

(4) 絕緣性好，滿足器件電互連與絕緣需求。

(5) 機(jī)械強(qiáng)度高，滿足器件加工、封裝與應(yīng)用過程的強(qiáng)度要求。

(6) 價格適宜，適合大規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用。

目前常用電子封裝基板主要可分為高分子基板、金屬基板 (金屬核線路板，MCPCB) 和陶瓷基板幾類。對于功率器件封裝而言，封裝基板除具備基本的布線 (電互連) 功能外，還要求具有較高的導(dǎo)熱、耐熱、絕緣、強(qiáng)度與熱匹配性能。因此，高分子基板 (如 PCB) 和金屬基板 (如 MCPCB) 使用受到很大限制；而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、汽車電子、深海鉆探等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。lw