常用电子封装陶瓷基片材料的分类与特性

       电子封装基板种类繁多,常用的基板主要分为塑料封装基板、金属封装基板和陶瓷封装基板。塑料包装材料通常导热系数低,可靠性差,不适合高要求。金属包装材料具有很高的导热系数,但一般的热膨胀系数不匹配,且价格昂贵。

       陶瓷基板通常用于电子封装。与塑料基板和金属基板相比,陶瓷基板具有以下优点:
(1) 绝缘性能好,可靠性高;
(2) 低介电系数,高频性能;
(3) 低膨胀系数,高导热系数;
(4) 气密性好,化学性能稳定,对电子系统起到很强的保护作用。
       因此,它适用于航空、航天、军工等高可靠性、高频、耐高温、气密性好的产品包装。超小型片式电子元器件广泛应用于移动通信、计算机、家用电器、汽车电子等领域,其载体材料通常采用陶瓷基片封装。
目前,电子封装常用的陶瓷基板材料有氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)、氮化硼(BN)、氧化铍(BeO)。

氧化铝陶瓷基板
Al2O3陶瓷一般是指以Al2O3为主要原料,以α-Al2O3晶相为主,Al2O3含量占各类陶瓷的75%以上,它具有原料来源丰富、成本低、机械强度和硬度高、绝缘性能好、热震性能好、耐化学腐蚀、尺寸高等特点精度高、与金属结合力好的优点,是一种综合性能较好的陶瓷基片材料。Al2O3陶瓷基片在电子工业中应用广泛,占陶瓷基片总量的90%,已成为电子工业不可缺少的材料。
目前使用的Al2O3陶瓷基片主要是多层基板。Al2O3的加入提高了材料的电绝缘性能、热导率和抗冲击性能,但同时也会导致烧结温度和生产成本的提高。为了降低烧结温度,保证Al2O3陶瓷基片的机电性能,经常加入一定量的烧结助剂,如B2O3、MgO、CaO、SiO2、TiO2、Nb2O5、Cr2O3、CuO、Y2O3、La2O3、Sm2O3等,以促进烧结。
Al2O3陶瓷基片虽然产量大,应用范围广,但由于其导热系数高于硅单晶,限制了其在高频、大功率、超大规模集成电路中的应用。

氮化铝陶瓷基板
AlN陶瓷基片是一种新型的基片材料,AlN晶体的晶格常数为a=0.3110nm,c=0.4890nm,六边形体系,基于[AlN4]四面体结构单元的纤锌矿共价键合化合物,导热性好,电绝缘可靠,介电常数和介电损耗低,无毒,并且匹配硅的热膨胀系数等一系列优良特性,被认为是新一代高集成度半导体基板和电子封装材料的理想选择。
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。高成本限制了AlN陶瓷的广泛应用,因此AlN陶瓷基板主要应用于高端产业。

氮化硅陶瓷基板
Si3N4有三种晶体结构,即相、相和相,其中相和相是Si3N4最常见的形式,它们都是六角结构。Si3N4具有硬度大、强度高、热膨胀系数小、高温蠕变小、抗氧化性好、热腐蚀性能好、摩擦系数小等优良性能。单晶硅氮化硅的理论热导率高达400W/(m·K),具有成为高导热衬底的潜力。此外,Si3N4的热膨胀系数约为3.0×10-6℃,与Si、SiC、GaAs等材料匹配良好,使Si3N4陶瓷成为一种非常有吸引力的高强度、高导热电子器件衬底材料[4]。
然而,Si3N4陶瓷的介电性能较差(介电常数为8.3,介电损耗为0.001~0.1),生产成本高,限制了其作为电子封装陶瓷基板的应用。
碳化硅陶瓷基板
SiC陶瓷具有较高的热导率,在高温下热导率为100w/(m·k)~400W/(m·k),是Al2O3的13倍。抗氧化性能好,分解温度在2500℃以上,在1600℃的氧化气氛中仍可使用;而且电绝缘性好,热膨胀系数低于Al2O3和AlN。SiC陶瓷具有较强的共价键特性,不易烧结。通常添加少量的硼或氧化铝作为烧结助剂来提高密度。实验表明,铍、硼、铝及其化合物是最有效的添加剂,可以使SiC陶瓷的密度达到98%以上。
但是,SiC的介电常数太高,是AlN的4倍,且其抗压强度较低,仅适用于低密度封装,而不适用于高密度封装。除集成电路元件、阵列元件、激光二极管等外,还用于导电结构件。
氧化铍陶瓷基板
BeO是碱土金属氧化物中仅有的六方纤锌矿结构,由于BeO具有纤锌矿和强共价键结构,且相对分子质量较低,因此,具有较高的热导率,BeO氧化铝约为10倍,其室温下的热导率可达250W/(m K),且导热系数对金属而言,且在高温、高频下,其电气性能好,耐热性好,耐冲击性好,化学稳定性好。
虽然BeO具有一些优良的性能,但其致命的缺点是其粉末的毒性极强。长期吸入BeO粉尘会引起中毒甚至危及生命,还会造成环境污染,这对BeO陶瓷基板的生产和应用有很大影响[5]。另外,BeO的生产成本较高,限制了其生产和应用。其用途仅限于以下几个方面:大功率晶体管的散热片、高频大功率半导体器件的散热片、发射管、行波管、激光管、速调管,BeO陶瓷基片由于具有较高的热导率和理想的高频特性,有时被用于航空电子和卫星通信中。
氮化硼陶瓷基板
氮化硼有两种不同的结晶形式:六边形和立方形。其中立方氮化硼硬度高,耐高温1500~1600℃,适用于超硬材料。在正确的热处理条件下,六方氮化硼可以在很高的温度下保持较高的化学和机械稳定性。氮化硼材料具有很高的热稳定性、化学稳定性和电绝缘性,室温下氮化硼陶瓷的导热系数与不锈钢相当,介电性能良好。氮化硼的脆性比大多数陶瓷好,热膨胀系数小,抗热震性强,能承受1500℃以上的温差急剧变化。
立方氮化硼和六方氮化硼都是在高温高压下制备的,是典型的共价键晶体。BN具有热导率高、热导率几乎不随温度变化、介电常数小、绝缘性能好等优点,被广泛应用于雷达窗口、大功率晶体管管座、管壳、散热片和微波输出窗口等领域。但是立方氮化硼成本太高,不适合用于高导热陶瓷材料的生产。热膨胀系数与硅的不匹配也限制了它的应用。

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