現(xiàn)代微電子技術(shù)發(fā)展異常迅速，電子系統(tǒng)及設(shè)備向大規(guī)模集成化、微型化、高效率、高可靠性等方向發(fā)展。電子系統(tǒng)集成度的提高將導(dǎo)致功率密度升高，以及電子元件和系統(tǒng)整體工作產(chǎn)生的熱量增加，因此，有效的電子封裝必須解決電子系統(tǒng)的散熱問題。電子封裝基片材料作為一種底座電子元件，主要為電子元器件及其相互聯(lián)線提供機(jī)械承載支撐、氣密性保護(hù)和促進(jìn)電氣設(shè)備的散熱。為加強(qiáng)陶瓷基板及其封裝行業(yè)上下游交流聯(lián)動(dòng)，艾邦建有陶瓷基板產(chǎn)業(yè)群，歡迎產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)加入。長按識(shí)別二維碼關(guān)注公眾號(hào)，點(diǎn)擊下方菜單欄右側(cè)“微信群”，申請加入陶瓷基板交流群。常用電子封裝基片材料主要有 3 大類：塑料、金屬及金屬基復(fù)合材料和陶瓷，陶瓷基片是一種常用的電子封裝基片材料，與塑封料和金屬基片相比，其優(yōu)勢在于以下幾個(gè)方面：1)絕緣性能好，可靠性高。高電阻率是電子元件對基片的最基本要求，一般而言，基片電阻越大，封裝可靠性越高，陶瓷材料一般都是共價(jià)鍵型化合物，其絕緣性能較好。2) 介電系數(shù)較小，高頻特性好。陶瓷材料的介電常數(shù)和介電損耗較低，可以減少信號(hào)延遲時(shí)間，提高傳輸速度。3) 熱膨脹系數(shù)小，熱失配率低。共價(jià)鍵型化合物一般都具有高熔點(diǎn)特性，熔點(diǎn)越高，熱膨脹系數(shù)越小，故陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)一般較小。4)熱導(dǎo)率高。根據(jù)傳統(tǒng)的傳熱理論，立方晶系的 BeO、SiC 和 AlN 等陶瓷材料，其理論熱導(dǎo)率不亞于金屬的。因此，陶瓷基片材料被廣泛應(yīng)用于航空、航天和軍事工程的高可靠、高頻、耐高溫、強(qiáng)氣密性的產(chǎn)品封裝。常見的陶瓷基片材料有 Al2O3 陶瓷基片、AlN 陶瓷基片、BeO 陶瓷基片、Si3N4 陶瓷基片、SiC 陶瓷基片等。
Al2O3 陶瓷是指以 Al2O3 為主要原料，α-Al2O3 為主晶相，Al2O3 含量在 75%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以上的各種陶瓷。Al2O3 陶瓷具有原料來源豐富、價(jià)格低廉、機(jī)械強(qiáng)度和硬度較高、絕緣性能、耐熱沖擊性能和抗化學(xué)侵蝕性能良好、尺寸精度高、與金屬附著力好等一系列優(yōu)點(diǎn)，是一種綜合性能較好的陶瓷基片材料。Al2O3 陶瓷基片廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)，占陶瓷基片總量的 90%，已成為電子工業(yè)不可缺少的材料。
目前使用的 Al2O3 陶瓷基片大多采用多層基片，Al2O3 的含量占 85.0%~99.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，Al2O3 含量提高了電絕緣性能、熱導(dǎo)率和耐沖擊性能都會(huì)有所提高，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)溫度的上升和生產(chǎn)成本增加。為了降低燒結(jié)溫度，同時(shí)保證 Al2O3 陶瓷基片的力學(xué)性能和電性能，往往需要加入一定量的燒結(jié)助劑，如B2O3、MgO、CaO、SiO2、TiO2、Nb2O5、Cr2O3、 CuO、Y2O3、La2O3 和 Sm2O3等金屬氧化物來促進(jìn)燒結(jié)。目前，雖然 Al2O3 陶瓷基片的產(chǎn)量多、應(yīng)用廣，但因其熱導(dǎo)率(99 瓷的熱導(dǎo)率為 29W/(m·K))較低，熱膨脹系數(shù)(7.2×10?6/℃）相對硅單晶(Si 的熱膨脹系數(shù)為(3.6~4.0×10?6/℃)而言偏高，故 Al2O3 陶瓷基片在高頻、大功率、超大規(guī)模集成電路中的使用受到限制。AlN 晶體的晶格常數(shù)為 α=0.3110 nm，c=0.4890nm，屬六方晶系，是以[AlN4]四面體為結(jié)構(gòu)單元的纖鋅礦型共價(jià)鍵化合物，此結(jié)構(gòu)決定了其優(yōu)良的熱性能、電性能和力學(xué)性能等。AlN 陶瓷很好的導(dǎo)熱性能(理論上單晶 AlN 的熱導(dǎo)率可以高達(dá) 320 W/(m·K)，而實(shí)際所測多晶 AlN 陶瓷的熱導(dǎo)率為 30~260 W/(m·K))、較低的介電常數(shù)以及與 Si、SiC 和 GaAs 等半導(dǎo)體材料相匹配的熱膨脹系數(shù)(AlN 的熱膨脹系數(shù)為(3.8~4.4×10?6/℃，Si 的為3.6~4.0×10?6/℃，GaAs 的為6×10?6/ ℃)等優(yōu)點(diǎn)，使其成為新一代基片的理想材料。圖 氮化鋁陶瓷基板，攝于成都旭瓷展臺(tái)
在 AlN 陶瓷的燒結(jié)過程中，既要達(dá)到致密燒結(jié)、降低雜質(zhì)含量，又要降低溫度、減少成本，則選擇適當(dāng)?shù)臒Y(jié)助劑是關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)研究表明：Y2O3、CaO、Li2O、BaO、MgO、SrO2、La2O3、HfO2和 CeO2能有效促進(jìn) AlN 陶瓷的燒結(jié)，而且三元體系 Y2O3-CaO-Li2O 是比較理想的燒結(jié)助劑體系。BeO 晶體的晶格常數(shù)為 α=2.695?，c=4.390?，是堿土金屬氧化物中唯一的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)(Wurtzite)。由于 BeO 具有纖鋅礦型和強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，而且相對分子質(zhì)量很低，因此，BeO 具有極高的熱導(dǎo)率。在現(xiàn)今使用的陶瓷材料中，室溫下 BeO 的熱導(dǎo)率最高，比Al2O3陶瓷高一個(gè)數(shù)量級。BeO 缺點(diǎn)是具有很強(qiáng)的毒性，另外，BeO 熔點(diǎn)為(2570±20) ℃，純 BeO 陶瓷的燒結(jié)溫度達(dá) 1900 ℃以上，使得其生產(chǎn)成本較高。由于以上原因，它的生產(chǎn)和推廣應(yīng)用受到限制。但有時(shí)在衛(wèi)星通訊和航空電子設(shè)備中，為追求高導(dǎo)熱、高頻特性，仍采用 BeO 陶瓷基片。氮化硅陶瓷（Si3N4）是一種由硅和氮組成的共價(jià)鍵化合物，氮化硅陶瓷基板具有高的力學(xué)性能，其抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性是氮化鋁和氧化鋁的2~3倍，并且具有較高的熱導(dǎo)率以及極好的熱輻射性和耐熱循環(huán)性，是公認(rèn)的集高導(dǎo)熱率、高可靠性于一身的陶瓷基板材料。
圖 氮化硅粉，攝于河北高富展臺(tái)
由于 Si3N4 屬于強(qiáng)共價(jià)鍵化合物，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，依靠固相擴(kuò)散很難燒結(jié)致密，必須通過添加燒結(jié)助劑來促進(jìn)燒結(jié)，如金屬氧化物（MgO、CaO、Al2O3）和稀土氧化物（Yb2O3、Y2O3、Lu2O3、CeO2）等，借助液相燒結(jié)機(jī)理來進(jìn)行致密化。在陶瓷材料中，除 SiO2(石英)外，Si3N4 的熱膨脹系數(shù)幾乎是最低的，為 3.2×10?6/℃，約為 Al2O3的 1/3。但其介電性能稍差(介電常數(shù)為 8.3，介電損耗為 0.001~0.1)，生產(chǎn)成本也偏高，限制其作為電子封裝陶瓷基片的應(yīng)用。SiC 單晶體具有很高的熱導(dǎo)率，純 SiC 單晶體室溫下的熱導(dǎo)率高達(dá) 490 W/(m·K)，但由于晶粒取向的差異，多晶 SiC 陶瓷的熱導(dǎo)率只有 67W/(m·K)。另外，SiC 絕緣程度低，且介電損耗大，高頻特性差，不宜作為封裝基片材料。研究發(fā)現(xiàn)，在以 SiC 為基的材質(zhì)中加入一定量的 BeO，可以較大程度地改善其絕緣性能和介電性能。對于經(jīng)改性后的 SiC 材料可以用作大規(guī)模集成電路的絕緣基片材料和散熱板，特別是作為基片材料使用，其性能優(yōu)良。為加強(qiáng)陶瓷基板及其封裝行業(yè)上下游交流聯(lián)動(dòng)，艾邦建有陶瓷基板產(chǎn)業(yè)群，歡迎產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)加入。
長按識(shí)別二維碼關(guān)注公眾號(hào)，點(diǎn)擊下方菜單欄右側(cè)“微信群”，申請加入陶瓷基板交流群。資料來源：《電子封裝陶瓷基片材料的研究進(jìn)展》，李婷婷，彭超群等The?7th Ceramic Packages?Industry Forum（虎丘區(qū)城際路21號(hào) 近高鐵蘇州新區(qū)站） | | |
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原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦陶瓷展）：電子封裝陶瓷基片材料的種類
