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。