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鄒小姐：13326633089 -
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從芯片到器件和系統的工藝過程都稱為電子封裝，芯片只有經過封裝才能成為一個完整的器件，才能具有特點的功能。半導體封裝一般可分為4級：0級封裝，晶圓的電路設計與制造；1級封裝，芯片之間的相互連接；2級封裝，元器件封裝到電路板；3級封裝，電路板組合在主板并形成最終電子產品。電子產品制備過程，封裝占總成本30-60%。
4級封裝：0級→1級→2級→3級
電子封裝的主要功能有4個，①機械保護：機械支撐與保護，防潮/防塵/防振（氣密封裝）；②電互聯：供電、信號傳輸與控制；③散熱、熱匹配等（功率半導體、高溫器件）；④導光：降低光損耗，提高出光效率。
封裝有4大功能的實現，實際上有很多和IC封裝有關，比如說機械支撐，芯片要放在基板上面去；第二要實現電互連，基板上面有很多電路層；第三解決散熱問題，特別對于功率器件而言。目前常用基板分為三大類，第一類就是高分子樹脂基板，第二類就是金屬基板，底下是個金屬層，上面是一個線路層，但是中間有一個絕緣層。第三類就是陶瓷基板，也就是我們今天的重點。陶瓷材料本身具有熱導率高、耐熱性好、高絕緣、高強度、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，目前已在半導體照明、激光與光通信、航空航天、汽車電子、深海鉆探等領域得到廣泛應用。陶瓷基板又稱陶瓷電路板，包括陶瓷基片和金屬線路層等。
一、陶瓷基片材料
目前，常用電子封裝陶瓷基片材料包括氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)、氮化硅(Si3N4)、氧化鈹(BeO)等。下面分別介紹其性能與技術特點。
1、氧化鋁
氧化鋁陶瓷呈白色，熱導率為20-30W/(m·K)，25°C~200°C溫度范圍內熱膨脹系數為7.0×10-6/°C~8.0×10-6/°C，彈性模量約為300GPa，抗彎強度為300MPa~400MPa，介電常數為10。氧化鋁陶瓷具有原料來源豐富、價格低廉、絕緣性高、耐熱沖擊、抗化學腐蝕及機械強度高等優點，是一種綜合性能較好的陶瓷基片材料，占陶瓷基片材料總量的80%以上。但由于其熱導率相對較低(99%氧化鋁熱導率約為30W/(m·K)，熱膨脹系數較高，一般應用在汽車電子、半導體照明、電氣設備等領域。
深色氧化鋁陶瓷封裝基板
氧化鋁陶瓷基片成型方法主要有軋膜法、流延法和凝膠注膜法等。其中后兩種方法采用去離子水代替有機溶劑，既可降低成本，也有利于環保，是Al2O3陶瓷片制備主要研究方向之一。
白色氧化鋁陶瓷封裝基板
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2、氮化鋁
氮化鋁材料呈灰白色，屬于六方晶系，是以[AlN4]四面體為結構單元的纖鋅礦型共價鍵化合物。該結構決定了其具有優良的熱學、電學和力學性能。AlN陶瓷理論熱導率可達320W/(m·K)，其商用產品熱導率一般為180W/(m·K)~260W/(m·K)[9]，25°C~200°C溫度范圍內熱膨脹系數為4×10-6/°C（與Si和GaAs等半導體芯片材料基本匹配），彈性模量為310GPa，抗彎強度為300MPa~340MPa，介電常數為8~10。
氮化鋁陶瓷基板
氮化鋁陶瓷熱導率為氧化鋁陶瓷的6~8倍，但熱膨脹系數只有其50%，此外還具有絕緣強度高、介電常數低、耐腐蝕性好等優勢。除了成本較高外，氮化鋁陶瓷綜合性能均優于氧化鋁陶瓷，是一種非常理想的電子封裝基片材料，尤其適用于導熱性能要求較高的領域。
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3、氮化硅陶瓷
Si3N4具有三種晶體結構，分別是α相、β相和γ相(其中α與β相是最常見形態)，均為六方結構，其粉料與基片呈灰白色，如下圖所示。Si3N4陶瓷基片彈性模量為320GPa，抗彎強度為920MPa，熱膨脹系數僅為3.2×10-6/°C，介電常數為9.4，具有硬度大、強度高、熱膨脹系數小、耐腐蝕性高等優勢。由于Si3N4陶瓷晶體結構復雜，對聲子散射較大，因此早期研究認為其熱導率低，如Si3N4軸承球、結構件等產品熱導率只有15W/(m·K)~30W/(m·K)。
TOSHIBA高導熱氮化硅基板
后來科學家通過經典固體傳輸理論計算發現，Si3N4材料熱導率低的主要原因與晶格內缺陷、雜質等有關，并預測其理論值最高可達320W/(m·K)。之后，許多科學家在提高Si3N4材料熱導率方面出現了大量的研究，通過工藝優化，氮化硅陶瓷熱導率不斷提高，目前已突破177W/(m·K)。Si3N4陶瓷傳熱機制同樣為聲子傳熱。晶格中的雜質往往伴隨著空位、位錯等結構缺陷，降低了聲子平均自由程，導致熱導率降低，因此制備高純粉體是制備高熱導率Si3N4陶瓷的關鍵。
目在現有可作為基板材料使用的陶瓷材料中，Si3N4陶瓷抗彎強度高(大于800MPa)，耐磨性好，是綜合機械性能最好的陶瓷材料，同時其熱膨脹系數最小，因而被認為是一種很有潛力的功率器件封裝基片材料。但是其制備工藝復雜，成本較高，熱導率偏低，主要適合應用于強度要求較高但散熱要求不高的領域。
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4、氧化鈹
BeO材料密度低，具有纖鋅礦型和強共價鍵結構，其粉末與基片均為白色（見下圖）。BeO導熱率是Al2O3的十幾倍，適用于大功率電路，如純度為99%的BeO陶瓷室溫熱導率可達310W/(m·K)；其禁帶寬度高達10.6eV，介電常數低至6.7，可用于高頻電路；彈性模量為350GPa，抗彎強度為200MPa，具有良好的綜合性能。BeO基板基本上采用干壓法制作，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。
但優秀的它還是有些不足之處的，由于BeO粉末的毒性，存在環境問題，在日本不允許生產BeO基板，只能從美國進口；BeO燒結溫度高達1900°C以上，生產成本高；BeO熱導率隨著溫度升高而降低，如在0°C~600°C溫度范圍內，BeO陶瓷平均熱導率為206.67W/(m·K)，但當溫度升高到800°C時，其熱導率降低為十分之一，上述原因限制了氧化鈹的推廣應用。
氧化鈹陶瓷基板
但在某些大功率、高頻半導體器件以及航空電子設備和衛星通訊中，為了追求高導熱和理想高頻特性，仍在采用BeO陶瓷基片。目前，美國是全球主要的BeO陶瓷基板生產和消費國，福特和通用等汽車公司在點火裝置中大量使用BeO陶瓷基板。
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5、其他
除了上述陶瓷材料外，碳化硅(SiC)、氮化硼(BN)等也都可作為陶瓷基片材料。其中，SiC單晶材料室溫熱導率可達490W/(m·K)，但SiC多晶體熱導率僅為67W/(m·K)。此外，SiC材料介電常數為40，是AlN陶瓷的4倍，限制了其高頻應用。BN材料具有較好的綜合性能，但作為基片材料，它沒有突出優點，且價格昂貴，與半導體材料熱膨脹系數也不匹配。
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總體而言，陶瓷基板在功率器件封裝中占據舉足輕重的作用，是各國重點研發的關鍵電子材料。 陶瓷基板核心技術研發包括陶瓷粉料、陶瓷基片及陶瓷基板制備技術等都是非常值得我們關注的領域。但前文也有說，陶瓷基板由基片及金屬線路層組成，因此，除了要知道陶瓷基片有啥材質，那如何做成板板呢？上文也為大家展示了部分已經金屬化的陶瓷基板產品圖片，下期小編與大家一起探討一下各種不同類型的陶瓷基板的工藝路線，關注粉體圈，持續更新更多精彩文章哦。
編輯：粉體圈Alpha
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