半導(dǎo)體器件在風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電、電動(dòng)汽車、LED照明等行業(yè)占據(jù)日益重要的地位，半導(dǎo)體器件也沿著大功率化、高頻化、集成化的方向迅猛發(fā)展。

半導(dǎo)體器件工作產(chǎn)生的損耗大部分均變成熱量，而熱是引起半導(dǎo)體器件失效的關(guān)鍵因素，熱失效比例高達(dá)55%。半導(dǎo)體封裝內(nèi)的芯片、金屬鍍層等都具有良好的散熱性，因此絕緣基片的導(dǎo)熱性是影響整體半導(dǎo)體器件散熱的關(guān)鍵。此外，半導(dǎo)體器件使用過程中可能伴隨著顛簸、震動(dòng)等復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境，這也對(duì)所用的基片材料的力學(xué)性能提出了很高要求。

青海格爾木光伏電站二期100兆瓦工程鳥瞰圖

一、常見陶瓷基片材料

目前常用的基片材料主要包括：陶瓷基片、樹脂基片、以及金屬或金屬基復(fù)合材料等，其中陶瓷由于具有絕緣性能好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、熱導(dǎo)率高、高頻特性好等優(yōu)點(diǎn)而最受矚目。歐美、日本的陶瓷基片的市場(chǎng)規(guī)模可達(dá)數(shù)十億美元，國(guó)內(nèi)需求也十分巨大，以氧化鋁陶瓷基片為例，目前我國(guó)的需求量每年超過106m²，但大多依賴進(jìn)口。目前已經(jīng)投入生產(chǎn)應(yīng)用的陶瓷基片材料主要包括氧化鈹(BeO)、氧化鋁(Al₂O₃)和氮化鋁(AlN)等。

1、氧化鈹陶瓷基片材料

氧化鈹是氧化物中難得的具有高電阻、高熱導(dǎo)率的陶瓷材料，其室溫?zé)釋?dǎo)率可達(dá)250 W/(m·K)以上，甚至可與金屬材料媲美。可用于高性能、高頻率、大功率電子器件。制備高性能BeO陶瓷一般采用MgO- Al₂O₃- SiO₂系燒結(jié)助劑，也有研究表明摻雜0.1% (質(zhì)量比)的Tb₄O₇，能夠提高BeO陶瓷的熱導(dǎo)率，摻雜CeO₂和Nd₂O₃能夠提高BeO陶瓷的密度。

美國(guó)是BeO陶瓷基片材料的主要產(chǎn)地，其BeO陶瓷基片產(chǎn)量及金屬化技術(shù)均處于世界前列，如Brush Welman公司、Accuratus公司、IJ研究院等。日本的住友、京瓷、NGK等企業(yè)也曾生產(chǎn)過BeO陶瓷，其產(chǎn)品的熱性能、機(jī)械性能和電性能方面處于國(guó)際領(lǐng)先水平。讓人遺憾的是，盡管高純的BeO陶瓷雖然沒有毒，但BeO粉塵有毒，所以在加工BeO制品時(shí)必須非常小心，做好防護(hù)，避免吸入。長(zhǎng)期吸入BeO粉塵卻會(huì)引起中毒甚至危及生命，且對(duì)環(huán)境有一定的污染，這極大影響了BeO陶瓷基片的生產(chǎn)和應(yīng)用。

2、氧化鋁陶瓷基片材料

氧化鋁陶瓷是目前制造和加工技術(shù)最成熟的陶瓷基片材料，其主要成分為α-Al₂O₃。根據(jù)Al₂O₃含量的不同又分為75瓷，85瓷，95瓷和99瓷等不同牌號(hào)。Al₂O₃。陶瓷具有介電損耗低，機(jī)械強(qiáng)度較高，化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。雖然Al₂O₃陶瓷是目前最成熟的陶瓷基片材料，但其熱導(dǎo)率較低，如99瓷Al₂O₃。熱導(dǎo)率僅為29W/ (m·K)。此外，Al₂O₃熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體芯片材料Si、SiC等的熱膨脹系數(shù)相差較大，在冷熱循環(huán)中容易累積內(nèi)應(yīng)力，增加了芯片失效概率。因?yàn)槿缟戏N種因素使得Al₂O₃基片很難適應(yīng)半導(dǎo)體器件大功率化的發(fā)展趨勢(shì)。

所幸的是，氧化鋁基片具有超高的性價(jià)比，在部分要求不那么高的應(yīng)用領(lǐng)域也還是保有其重要位置。目前主要應(yīng)用于主要在中、低功率范圍領(lǐng)域，例如通用電力電子、聚光太陽(yáng)能、帕爾貼部件（熱電半導(dǎo)體致冷器件）、汽車應(yīng)用半導(dǎo)體模塊等。

帕爾貼部件用于車載冰箱

3、氮化鋁陶瓷基片材料

AlN陶瓷材料成為少數(shù)幾種具有高導(dǎo)熱性能的非金屬材料之一。AlN陶瓷基片熱導(dǎo)率可達(dá)150~230W/(m·K)，是Al₂O₃的8倍以上。另外，AlN的熱膨脹系數(shù)為(3.8~4.4)×10^-6/℃，與Si、SiC和GaAs等半導(dǎo)體芯片材料熱膨脹系數(shù)匹配良好。日本有多家企業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)AlN陶瓷基片，如京陶、日本特殊陶業(yè)、住友金屬工業(yè)、富士通、東芝、日本電氣等。制備AlN陶瓷的核心原料AlN粉體制備工藝復(fù)雜、能耗高、周期長(zhǎng)、價(jià)格昂貴，國(guó)內(nèi)的AlN粉體基本依賴進(jìn)口，原料的批次穩(wěn)定性、成本也成為國(guó)內(nèi)高端AlN陶瓷基片材料制造的瓶頸。

高成本是限制AlN陶瓷廣泛應(yīng)用的重要因素，因此目前AlN陶瓷基片主要應(yīng)用于高端產(chǎn)業(yè)。AlN陶瓷導(dǎo)熱能力優(yōu)秀，它可調(diào)整的熱膨脹系數(shù)，接近硅的熱膨脹系數(shù)，幾乎不會(huì)引起芯片和基板之間焊料層的熱張力。但美中不足的是AIN陶瓷不那么好的力學(xué)性能使得其在復(fù)雜的力學(xué)服役條件下容易發(fā)生損壞。

氮化鋁陶瓷用于激光二極管應(yīng)用的高性能液體散熱器

（圖片來(lái)源：羅杰斯官網(wǎng)）

備注：液體散熱器適用于高功率應(yīng)用，如激光二極管、數(shù)據(jù)中心、直接冷卻功率模塊、高亮度LED或太陽(yáng)能電池陣列（CPV），冷卻效率比傳統(tǒng)的液體冷卻模塊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的效率高出4倍以上。氮化鋁層在其中起到的作用是將激光二極管的電路與冷卻水通道絕緣隔離開來(lái)。

二、大功率器件它更強(qiáng)：氮化硅陶瓷基片

氮化硅陶瓷具有硬度大、強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)小、高溫蠕變小、抗氧化性能好、熱腐蝕性能好、摩擦系數(shù)小等諸多優(yōu)異性能，是綜合性能最好的結(jié)構(gòu)陶瓷材料。單晶氮化硅的理論熱導(dǎo)率可達(dá)400 w/(m·K)，具有成為高導(dǎo)熱基片的潛力。此外，氮化硅的線膨脹系數(shù)與Si、SiC和GaAs等半導(dǎo)體材料匹配良好，這使氮化硅陶瓷成為一種極具有吸引力的高強(qiáng)高導(dǎo)熱電子器件基板材料。氮化硅、氮化鋁及氧化鋁陶瓷的力學(xué)性能對(duì)比見下表。

三種陶瓷基板材料物理力學(xué)性能對(duì)比

可靠性測(cè)試指的在-40~+150℃條件下循環(huán)，材料不發(fā)生破壞的次數(shù)。

隨著電動(dòng)力汽車的流行，氮化硅陶瓷基片也將迎來(lái)發(fā)展機(jī)遇

氮化硅陶瓷力學(xué)性能與熱學(xué)性能與高功率電子基板材料的要求完美貼合。Si₃N₄陶瓷基片材料在未來(lái)的廣闊的市場(chǎng)前景，引起了國(guó)際陶瓷企業(yè)的高度重視。而目前全球真正將Si₃N₄陶瓷基片用于實(shí)際生產(chǎn)電子器件的只有東芝、京瓷和羅杰斯等少數(shù)公司。商用Si₃N₄陶瓷基片的熱導(dǎo)率一般在56~90 w/(m·K)。以日本東芝公司為例，截止2016年已占領(lǐng)了全球70%的氮化硅基片市場(chǎng)份額，據(jù)報(bào)道其Si₃N₄陶瓷基片產(chǎn)品已用于混合動(dòng)力汽車/純電動(dòng)汽車(HEV/EV)市場(chǎng)領(lǐng)域。

參考來(lái)源

1、半導(dǎo)體器件用陶瓷基片材料發(fā)展現(xiàn)狀，北京中材人工晶體研究院有限公司，張偉儒，鄭或，李正，高崇，童亞琦等著。

2、羅杰斯公司官網(wǎng)。

編輯：粉體圈小白