一起看看电子封装陶瓷基板（上）

从芯片到器件和系统的工艺过程都称为电子封装，芯片只有经过封装才能成为一个完整的器件，才能具有特点的功能。半导体封装一般可分为4级：0级封装，晶圆的电路设计与制造；1级封装，芯片之间的相互连接；2级封装，元器件封装到电路板；3级封装，电路板组合在主板并形成最终电子产品。电子产品制备过程，封装占总成本30-60%。

4级封装：0级→1级→2级→3级

电子封装的主要功能有4个，①机械保护：机械支撑与保护，防潮/防尘/防振（气密封装）；②电互联：供电、信号传输与控制；③散热、热匹配等（功率半导体、高温器件）；④导光：降低光损耗，提高出光效率。

封装有4大功能的实现，实际上有很多和IC封装基板有关，比如说机械支撑，芯片要放在基板上面去；第二要实现电互连，基板上面有很多电路层；第三解决散热问题，特别对于功率器件而言。

目前常用基板分为三大类，第一类就是高分子树脂基板，第二类就是金属基板，底下是个金属层，上面是一个线路层，但是中间有一个绝缘层。第三类就是陶瓷基板，也就是我们今天的重点。陶瓷材料本身具有热导率高、耐热性好、高绝缘、高强度、与芯片材料热匹配等性能，非常适合作为功率器件封装基板，目前已在半导体照明、激光与光通信、航空航天、汽车电子、深海钻探等领域得到广泛应用。陶瓷基板又称陶瓷电路板，包括陶瓷基片和金属线路层等。

目前，常用电子封装陶瓷基片材料包括氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)、氧化铍(BeO)等。下面分别介绍其性能与技术特点。

1、氧化铝

氧化铝陶瓷呈白色，热导率为20-30W/(m·K)，25°C~200°C温度范围内热膨胀系数为7.0×10^-6/°C~8.0×10^-6/°C，弹性模量约为300GPa，抗弯强度为300MPa~400MPa，介电常数为10。氧化铝陶瓷具有原料来源丰富、价格低廉、绝缘性高、耐热冲击、抗化学腐蚀及机械强度高等优点，是一种综合性能较好的陶瓷基片材料，占陶瓷基片材料总量的80%以上。但由于其热导率相对较低(99%氧化铝热导率约为30W/(m·K)，热膨胀系数较高，一般应用在汽车电子、半导体照明、电气设备等领域。

氧化铝陶瓷基片成型方法主要有轧膜法、流延法和凝胶注膜法等。其中后两种方法采用去离子水代替有机溶剂，既可降低成本，也有利于环保，是Al₂O₃陶瓷片制备主要研究方向之一。

氮化铝陶瓷热导率为氧化铝陶瓷的6~8倍，但热膨胀系数只有其50%，此外还具有绝缘强度高、介电常数低、耐腐蚀性好等优势。除了成本较高外，氮化铝陶瓷综合性能均优于氧化铝陶瓷，是一种非常理想的电子封装基片材料，尤其适用于导热性能要求较高的领域。

3、氮化硅陶瓷

Si₃N₄具有三种晶体结构，分别是α相、β相和γ相(其中α与β相是最常见形态)，均为六方结构，其粉料与基片呈灰白色，如下图所示。Si₃N₄陶瓷基片弹性模量为320GPa，抗弯强度为920MPa，热膨胀系数仅为3.2×10^-6/°C，介电常数为9.4，具有硬度大、强度高、热膨胀系数小、耐腐蚀性高等优势。由于Si₃N₄陶瓷晶体结构复杂，对声子散射较大，因此早期研究认为其热导率低，如Si₃N₄轴承球、结构件等产品热导率只有15W/(m·K)~30W/(m·K)。

后来科学家通过经典固体传输理论计算发现，Si₃N4材料热导率低的主要原因与晶格内缺陷、杂质等有关，并预测其理论值最高可达320W/(m·K)。之后，许多科学家在提高Si₃N₄材料热导率方面出现了大量的研究，通过工艺优化，氮化硅陶瓷热导率不断提高，目前已突破177W/(m·K)。Si3N4陶瓷传热机制同样为声子传热。晶格中的杂质往往伴随着空位、位错等结构缺陷，降低了声子平均自由程，导致热导率降低，因此制备高纯粉体是制备高热导率Si3N4陶瓷的关键。

目在现有可作为基板材料使用的陶瓷材料中，Si3N4陶瓷抗弯强度高(大于800MPa)，耐磨性好，是综合机械性能最好的陶瓷材料，同时其热膨胀系数最小，因而被认为是一种很有潜力的功率器件封装基片材料。但是其制备工艺复杂，成本较高，热导率偏低，主要适合应用于强度要求较高但散热要求不高的领域。