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。

目前常用的電子封裝基片材料包括陶瓷基片、塑料基片、以及金屬或金屬基復(fù)合材料等。其中陶瓷由于具有絕緣性能好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、熱導(dǎo)率高、高頻特性好等優(yōu)點(diǎn)而最受矚目，在銷售額總量上占全部基片材料的50%。

電子封裝陶瓷基片材料的特點(diǎn)

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AIN等陶瓷材料，其理論熱導(dǎo)率不亞于金屬的。

幾種電子封裝陶瓷基片材料

目前已經(jīng)投入生產(chǎn)應(yīng)用的陶瓷基片主要包括氧化鈹（BeO）、氧化鋁（Al₂O₃）和氮化鋁（AlN）、氮化硅（Si₃N₄）。

（1）BeO陶瓷基片

BeO是堿土金屬氧化物中唯一的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，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。

BeO陶瓷的致命缺點(diǎn)是有劇毒性，長期吸入BeO粉塵會引起中毒甚至危及生命，并對環(huán)境造成污染，這極大影響了BeO陶瓷基片的生產(chǎn)和應(yīng)用。

（2）Al₂O₃陶瓷基片

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。

雖然Al₂O₃陶瓷是目前最成熟的陶瓷基片材料，但其熱導(dǎo)率較低，如99瓷Al₂O₃熱導(dǎo)率僅為29W/(m·K)。此外，Al₂O₃熱膨脹系數(shù)高達(dá)7.2×10^-6/℃，與半導(dǎo)體芯片材料Si、SiC等的熱膨脹系數(shù)相差較大，在冷熱循環(huán)中容易累積內(nèi)應(yīng)力，大大增加了芯片失效概率。這些決定了Al₂O₃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。

（3）AlN陶瓷基片

AlN晶體的晶格常數(shù)為 a=0.3110 nm，c=0.4890 nm，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陶瓷基片熱導(dǎo)率可達(dá)150~230W/(m·K)，是Al2O3的8倍以上。另外，AlN的熱膨脹系數(shù)為（3.8~4.4）×10_-6/℃，與Si、SiC和GaAs等半導(dǎo)體芯片材料熱膨脹系數(shù)匹配良好。

高成本是限制了AlN陶瓷廣泛應(yīng)用重要因素，目前AlN陶瓷基片主要應(yīng)用于高端產(chǎn)業(yè)。此外AlN雖然具有優(yōu)秀的導(dǎo)熱性能和與半導(dǎo)體材料相匹配的線膨脹系數(shù)，但是其力學(xué)性能較差，如其抗彎強(qiáng)度只有300MPa。在復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境下，AlN基片易發(fā)生損壞，更增加了使用成本。

（4）Si₃N₄陶瓷基片

Si₃N₄具有3種結(jié)晶結(jié)構(gòu)，分別是α相、β相和γ相，其中α相和β相是Si₃N₄最常見的形態(tài)，均為六方結(jié)構(gòu)。Si₃N₄陶瓷具有硬度大、強(qiáng)度高、熱膨脹系 數(shù)小、高溫蠕變小、抗氧化性能好、熱腐蝕性能好、摩擦系數(shù)小等諸多優(yōu)異性能，是綜合性能最好的結(jié)構(gòu)陶瓷材料。單晶氮化硅的理論熱導(dǎo)率可達(dá)400W/(m·K)，具有成為高導(dǎo)熱基片的潛力。此外Si₃N₄的熱膨脹系數(shù)為3.0×10^-6℃左右，與Si、SiC和GaAs等材料匹配良好，這使陶瓷成為一種極具有吸引力的高強(qiáng)高導(dǎo)熱電子器件基板材料。

三種陶瓷基板材料物理力學(xué)性能對比

由上表可以看出，與其他陶瓷材料相比，Si₃N₄陶瓷材料具有明顯優(yōu)勢，尤其是在高溫條件下氮化硅陶瓷材料表現(xiàn)出的耐高溫性能、對金屬的化學(xué)惰性、超高的硬度和斷裂韌性等力學(xué)性能。

參考資料：
李婷婷等.電子封裝陶瓷基片材料的研究進(jìn)展
張偉儒等.半導(dǎo)體器件用陶瓷基片材料發(fā)展現(xiàn)狀