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電子封裝陶瓷基板材料及不同領域的應用

發布時間:2021-10-03 16:34:06

中國陶瓷CMF設計研究應用平臺

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電子封裝基板主要可分為高分子基板、金屬基板和陶瓷基板幾類。金屬基板和高分子基板受限于功率器件對導熱、耐熱、絕緣、強度與熱匹配性能的要求,而陶瓷材料具有熱導率高、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。


陶瓷基板材料


1.氧化鋁陶瓷基板

氧化鋁陶瓷呈白色,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。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,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。



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2.氮化鋁陶瓷基板

氮化鋁材料呈灰白色,其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.氮化硅陶瓷基板

氮化硅陶瓷基片硬度大、強度高、熱膨脹系數小、耐腐蝕性高。氮化硅陶瓷抗彎強度高,耐磨性好,是綜合機械性能最好的陶瓷材料,同時因其熱膨脹系數最小,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.氧化鈹陶瓷基板

氧化鈹材料密度低,具有纖鋅礦型和強共價鍵結構,其粉末與基片均為白色,因其較低的相對分子量,其熱導率高,綜合性能好。 但因氧化鈹材料粉體具有毒性、生產成本高、熱導率隨著溫度升高而降低,限制了氧化鈹的推廣應用。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,仍在采用氧化鈹陶瓷基片。


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5.碳化硅、氮化硼陶瓷基片


碳化硅、氮化硼等也都可作為陶瓷基片材料。碳化硅多晶體熱導率較低,材料介電常數為40,是AlN陶瓷的4倍,限制了其高頻應用。氮化硼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,目前仍處于研究中。


陶瓷基板的應用 

1.電力電子器件封裝

絕緣柵雙極晶體管(IGBT)封裝主要采用DBC陶瓷基板,DBC基板金屬線路層較厚,載流能力大、耐高溫性好、可靠性高等特點。


2.激光器(LD)封裝

LD封裝須采用導熱性能好、熱膨脹系數匹配的陶瓷基板。由于氮化鋁陶瓷具有熱導率高、熱膨脹系數低等優點,因此LD封裝普遍使用氮化鋁陶瓷基板。


3.發光二極管(LED)封裝

大功率LED封裝基板先后經歷了金屬支架、金屬基板和陶瓷基板。由于陶瓷基板具有高絕緣、高導熱和耐熱、低膨脹等特性,特別是采用垂直通孔技術的DPC陶瓷基板,可有效滿足倒裝共晶、COB(板上芯片封裝)、CSP(芯片尺寸封裝)等技術白光 LED 封裝需求。對于紫外LED模組,采用三維陶瓷基板,可滿足其高效散熱與氣密封裝需求。


4.熱電制冷器(TEC)封裝

熱電制冷片是一種常用的半導體制冷器件,由于熱電制冷效率與半導體粒子數量呈正相關,單位面積粒子數量越多,熱電制冷效率越高。DPC陶瓷基板精度高,可提高粒子布置密度,從而有效提高熱電制冷效率。


5.高溫電子器件(HTE)封裝

航空航天、深海鉆探、汽車等領域電子器件需要能夠在極端環境(如高溫、高濕、高壓、高腐蝕、高輻射、高頻振動等)下工作,因此封裝材料必須具有高耐熱性和抗濕性,同時器件芯片必須密封于腔體中,避免外界環境的侵蝕和破壞。三維陶瓷基板(如HTCC、LTCC、MPC和DMC等)具有高強度腔體結構,氣密性良好,可滿足惡劣環境下器件封裝要求。


6.其他功率器件封裝

陶瓷基板也同樣應用在很多其他功率或高溫器件封裝中。如聚焦光伏器件封裝,由于聚焦作用導致太陽光密度加,芯片溫度升高,必須采用陶瓷基板強化散熱。在微波射頻領域,為了降低損耗,需采用高頻特性良好的HTCC或 LTCC基板來提高速度。




(參考文獻:電子封裝陶瓷基板-程浩;陳明祥;羅小兵;彭洋;劉松坡)




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