隨著電子芯片技術(shù)的飛速發(fā)展，其綜合性能不斷提升，尺寸卻日益微型化。然而，這一進(jìn)步也帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)——芯片工作時(shí)產(chǎn)生的熱流密度急劇增加。對(duì)于電子器件而言，溫度每升高10℃，其有效壽命可能會(huì)降低30%到50%。因此，如何通過(guò)選擇合適的封裝材料與工藝來(lái)提高器件的散熱能力，已經(jīng)成為制約功率器件發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。

以大功率LED封裝為例，其輸入功率的70%到80%會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量，僅有20%到30%轉(zhuǎn)化為光能。由于LED芯片面積小，功率密度極高（大于100W/cm2），如果不能及時(shí)將熱量導(dǎo)出并散發(fā)，大量熱量就會(huì)聚集在LED內(nèi)部，導(dǎo)致芯片結(jié)溫逐步升高。這不僅會(huì)使LED的性能下降，如發(fā)光效率降低、波長(zhǎng)紅移等，還會(huì)在器件內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，引發(fā)一系列可靠性問(wèn)題。

封裝基板的作用是利用自身材料的高熱導(dǎo)率，將熱量從芯片（熱源）導(dǎo)出，實(shí)現(xiàn)與外界環(huán)境的熱交換。目前，常用的封裝基板主要分為高分子基板、金屬基板和陶瓷基板幾類(lèi)。對(duì)于功率器件封裝來(lái)說(shuō)，除了基本的布線功能外，封裝基板還需要具備較高的導(dǎo)熱性、耐熱性、絕緣性、強(qiáng)度以及與芯片材料的熱匹配性能。因此，高分子基板和金屬基板的應(yīng)用受到了很大限制。

相比之下，陶瓷材料具有高熱導(dǎo)率、耐熱性好、高絕緣性、高強(qiáng)度以及與芯片材料熱匹配等優(yōu)異性能，非常適合用作功率器件的封裝基板。目前，陶瓷基板材料已經(jīng)在半導(dǎo)體照明、激光與光通信、航空航天、汽車(chē)電子、深海鉆探等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

目前常用的電子封裝陶瓷基板材料包括氧化鋁、碳化硅、氮化鋁、氮化硅、氧化鈹?shù)?。在這些材料中，哪一種最適合用于芯片散熱呢？下面由深圳金瑞欣小編來(lái)跟大家講解一下：

氧化鋁陶瓷是最常見(jiàn)的一種陶瓷基板材料。早在1929年，德國(guó)西門(mén)子公司就成功研制出了Al2O3陶瓷，并于1932年發(fā)表研究成果，1933年開(kāi)始工業(yè)化生產(chǎn)。它因價(jià)格低廉、穩(wěn)定性好、絕緣性和機(jī)械性能優(yōu)良，且工藝技術(shù)成熟，成為目前應(yīng)用最廣泛的陶瓷基板材料。然而，Al2O3陶瓷的熱導(dǎo)率較低（20W/(m·K)），且其熱膨脹系數(shù)與Si不太匹配，這在一定程度上限制了它在大功率電子產(chǎn)品中的應(yīng)用，主要適用于電路電壓較低、集成度不高的封裝領(lǐng)域。

BeO陶瓷是一種常用的高導(dǎo)熱陶瓷基板材料，綜合性能良好，能夠滿足較高的電子封裝要求。但是，其熱導(dǎo)率會(huì)隨溫度波動(dòng)而發(fā)生較大變化，溫度升高時(shí)熱導(dǎo)率會(huì)顯著下降。此外，BeO粉末具有劇毒，大量吸入會(huì)導(dǎo)致急性肺炎，長(zhǎng)期吸入還會(huì)引發(fā)慢性鈹肺病。因此，其應(yīng)用受到極大限制。據(jù)了解，日本已經(jīng)禁止了BeO的生產(chǎn)，歐洲也對(duì)BeO相關(guān)的電子產(chǎn)品進(jìn)行了限制。

SiC單晶體具有很高的熱導(dǎo)率，純SiC單晶體在室溫下的熱導(dǎo)率高達(dá)490W/(m·K)。然而，由于晶粒取向的差異，多晶SiC陶瓷的熱導(dǎo)率僅為67W/(m·K)。此外，SiC的絕緣程度較低，介電損耗大，高頻特性差。因此，多年來(lái)對(duì)SiC作為電路基片材料的研究較少。

相比之下，氮化鋁陶瓷的性能更為優(yōu)異，尤其是其高熱導(dǎo)率的特點(diǎn)。其理論熱導(dǎo)率可達(dá)320W/(m·K)，商用產(chǎn)品的熱導(dǎo)率一般在180W/(m·K)到260W/(m·K)之間，使其能夠用于高功率、高引線和大尺寸芯片的封裝基板。早在20世紀(jì)80年代初期，世界上一些發(fā)達(dá)國(guó)家就開(kāi)始從事AlN基片的研究和開(kāi)發(fā)，其中日本開(kāi)展得最早，技術(shù)也最成熟。1983年，日本就研制出了熱導(dǎo)率為95W/(m·K)的透明AlN陶瓷和260W/(m·K)的AlN陶瓷基片，并從1984年開(kāi)始推廣應(yīng)用。

此外，氮化鋁陶瓷還具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠在惡劣環(huán)境下保持正常工作狀態(tài)。正是因?yàn)檫@些優(yōu)良性能，氮化鋁陶瓷在眾多陶瓷基板材料中脫穎而出，成為新一代先進(jìn)陶瓷封裝材料的代表產(chǎn)品。

再看看氮化硅陶瓷。1995年以前，Si3N4在室溫下的熱導(dǎo)率為20到70W/(m·K)，遠(yuǎn)低于AlN和SiC的熱導(dǎo)率，因此其導(dǎo)熱性能一直未受重視。然而，1995年，一位名叫Haggerty的科學(xué)家通過(guò)經(jīng)典固體傳輸理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，Si?N?材料熱導(dǎo)率低的主要原因是晶格內(nèi)存在缺陷和雜質(zhì)，并預(yù)測(cè)其理論值最高可達(dá)320W/(m·K)。此后，科研人員在提高Si?N?材料熱導(dǎo)率方面開(kāi)展了大量研究。通過(guò)工藝優(yōu)化，氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率不斷提高，目前已突破177W/(m·K)。

此外，Si3N4陶瓷的最大優(yōu)點(diǎn)是其熱膨脹系數(shù)低。在陶瓷材料中，除了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。

綜合來(lái)看，氮化鋁陶瓷基板的最大優(yōu)勢(shì)在于其高熱導(dǎo)率，以及與Si、SiC和GaAs等半導(dǎo)體材料相匹配的熱膨脹系數(shù)，因此在解決大功率器件散熱問(wèn)題方面表現(xiàn)出色。而氮化硅陶瓷則以全面性著稱。在現(xiàn)有的可作為基板材料的陶瓷材料中，Si?N?陶瓷的抗彎強(qiáng)度高（大于800MPa），耐磨性好，被稱為綜合機(jī)械性能最好的陶瓷材料，在強(qiáng)度要求較高的散熱環(huán)境中表現(xiàn)優(yōu)于其他材料。

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審核編輯 黃宇