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陶瓷基片材料小常识

编辑:转载   文章来源:8455新葡萄娱乐   时间:2018-07-20

  半导体器件在风力发电、太阳能光伏发电、电动汽车、LED照明等行业占据日益重要的地位,半导体器件也沿着大功率化、高频化、集成化的方向迅猛发

展。半导体器件工作产生的损耗大部分均变成热量,而热是引起半导体器件失效的关键因素,热失效比例高达55%。半导体封装内的芯片、金属镀层等都

具有良好的散热性,因此绝缘基片的导热性是影响整体半导体器件散热的关键。此外,半导体器件使用过程中可能伴随着颠簸、震动等复杂的力学环境,

这也对所用的基片材料的力学性能提出了很高要求。


一、常见陶瓷基片材料

目前常用的基片材料主要包括:陶瓷基片、树脂基片、以及金属或金属基复合材料等,其中陶瓷由于具有绝缘性能好、化学性质稳定、热导率高、高频特

性好等优点而最受瞩目。欧美、日本的陶瓷基片的市场规模可达数十亿美金,国内需求也十分巨大,以氧化铝陶瓷基片为例,目前我国的需求量每年超过

106m2,但大多依赖进口。目前已经投入生产应用的陶瓷基片材料主要包括氧化铍(BeO)、氧化铝(Al2O3)和氮化铝(AlN)等。


1、氧化铍陶瓷基片材料

  氧化铍是氧化物中难得的具有高电阻、高热导率的陶瓷材料,其室温热导率可达250W/(m·K)以上,甚至可与金属材料媲美。可用于高性能、高频率、大

功率电子器件。制备高性能BeO陶瓷一般采用MgO-Al2O3- SiO2系烧结助剂,也有研究表明掺杂0.1%(质量比)的Tb4O7,能够提高BeO陶瓷的热导率,掺杂

CeO2和Nd2O3能够提高BeO陶瓷的密度。

  美国是BeO陶瓷基片材料的主要产地,其BeO陶瓷基片产量及金属化技术均处于世界前列,如BrushWelman企业、Accuratus企业、IJ研究院等。日本的住

友、京瓷、NGK等企业也曾生产过BeO陶瓷,其产品的热性能、机械性能和电性能方面处于国际领先水平。让人遗憾的是,尽管高纯的BeO陶瓷虽然没有毒,

但BeO粉尘有毒,所以在加工BeO制品时必须非常小心,做好防护,避免吸入。长期吸入BeO粉尘却会引起中毒甚至危及生命,且对环境有一定的污染,这

极大影响了BeO陶瓷基片的生产和应用。


2、氧化铝陶瓷基片材料

  氧化铝陶瓷是目前制造和加工技术最成熟的陶瓷基片材料,其主要成分为α-Al2O3。根据Al2O3含量的不同又分为75瓷,85瓷,95瓷和99瓷等不同牌号。

Al2O3。陶瓷具有介电损耗低,机械强度较高,化学稳定性好等优点。虽然Al2O3陶瓷是目前最成熟的陶瓷基片材料,但其热导率较低,如99瓷Al2O3。热

导率仅为29W/(m·K)。此外,Al2O3热膨胀系数与半导体芯片材料Si、SiC等的热膨胀系数相差较大,在冷热循环中容易累积内应力,增加了芯片失效概率。因为如上种种因素使得Al2O3基片很难适应半导体器件大功率化的发展趋势。


 所幸的是,氧化铝基片具有超高的性价比,在部分要求不那么高的应用领域也还是保有其重要位置。目前主要应用于主要在中、低功率范围领域,例如

通用电力电子、聚光太阳能、帕尔贴部件(热电半导体致冷器件)、汽车应用半导体模块等。


3、氮化铝陶瓷基片材料

AlN陶瓷材料成为少数几种具有高导热性能的非金属材料之一。

  AlN陶瓷基片热导率可达150~230W/(m·K),是Al2O3的8倍以上。另外,AlN的热膨胀系数为(3.8~4.4)×10-6/℃,与Si、SiC和GaAs等半导体芯片材料热

膨胀系数匹配良好。日本有多家企业研发和生产AlN陶瓷基片,如京陶、日本特殊陶业、住友金属工业、富士通、东芝、日本电气等。制备AlN陶瓷的核心

原料AlN粉体制备工艺复杂、能耗高、周期长、价格昂贵,国内的AlN粉体基本依赖进口,原料的批次稳定性、成本也成为国内高端AlN陶瓷基片材料制造

的瓶颈。

高成本是限制AlN陶瓷广泛应用的重要因素,因此目前AlN陶瓷基片主要应用于高端产业。AlN陶瓷导热能力优秀,它可调整的热膨胀系数,接近硅的热膨

胀系数,几乎不会引起芯片和基板之间焊料层的热张力。但美中不足的是AIN陶瓷不那么好的力学性能使得其在复杂的力学服役条件下容易发生损坏。


备注:液体散热器适用于高功率应用,如激光二极管、数据中心、直接冷却功率模块、高亮度LED或太阳能电池阵列(CPV),冷却效率比传统的液体冷却

模块结构产生的效率高出4倍以上。氮化铝层在其中起到的作用是将激光二极管的电路与冷却水通道绝缘隔离开来。


二、大功率器件它更强:氮化硅陶瓷基片

  氮化硅陶瓷具有硬度大、强度高、热膨胀系数小、高温蠕变小、抗氧化性能好、热腐蚀性能好、摩擦系数小等诸多优异性能,是综合性能最好的结构陶

瓷材料。单晶氮化硅的理论热导率可达400w/(m·K),具有成为高导热基片的潜力。此外,氮化硅的线膨胀系数与Si、SiC和GaAs等半导体材料匹配良好,

这使氮化硅陶瓷成为一种极具有吸引力的高强高导热电子器件基板材料。氮化硅、氮化铝及氧化铝陶瓷的力学性能对比见下表。


三种陶瓷基板材料物理力学性能对比

可靠性测试指的在-40~+150℃条件下循环,材料不发生破坏的次数。

随着电动力汽车的流行,氮化硅陶瓷基片也将迎来发展机遇

氮化硅陶瓷力学性能与热学性能与高功率电子基板材料的要求完美贴合。Si3N4陶瓷基片材料在未来的广阔的市场前景,引起了国际陶瓷企业的高度重视。

而目前全球真正将Si3N4陶瓷基片用于实际生产电子器件的只有东芝、京瓷和罗杰斯等少数企业。商用Si3N4陶瓷基片的热导率一般在56~90w/(m·K)。以

日本东芝企业为例,截止2016年已占领了全球70%的氮化硅基片市场份额,据报道其Si3N4陶瓷基片产品已用于混合动力汽车/纯电动汽车(HEV/EV)市场领

域。

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