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【科普】一些常见电子封装陶瓷基板材料分类基特点


【介绍】 发布时间:2022-06-27 18:02:40 作者:m6米乐app地址 来源:m6米乐官网注册链接

  如今电子封装基板的种类很多,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。塑料封装材料通常导热率低、可靠性差,不适合高的要求。金属封装材料导热系数高,但一般热膨胀系数不匹配,价格高。

  主要陶瓷基板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:

  因此陶瓷基板,它适用于航空、航天和军事工程高可靠性、高频耐高温、气密性的产品包装。超小型贴片电子元件广泛应用于移动通讯、计算机、家用电器和汽车电子等领域,其载体材料常采用陶瓷基板封装。

  目前几种常用的电子封装陶瓷基板材料有氧化铝、氮化铝、氮化硅、碳化硅、氮化硼、氧化铍。

  氧化铝陶瓷基板一般是指以氧化铝为主要原料,主要为氧化铝晶相,氧化铝含量在各类陶瓷中的75%以上,原料来源丰富,成本低、机械强度和硬度高,绝缘性能好并具有热冲击性能好、耐化学腐蚀、尺寸精度高、与金属附着力好等优点,是一种综合性能较好的陶瓷基板材料。氧化铝陶瓷基板广泛应用于电子工业,占陶瓷基板总量的90%,已成为电子工业不可缺少的材料。

  氧化铝陶瓷基板虽然产量大应用广泛,但由于其导热率比单晶硅高,在高频、大功率和超大规模集成电路的应用上受到限制。

  氮化铝陶瓷基板是一种新型基板材料,氮化铝晶体的晶格常数为a=0.3110nm,c=0.4890nm,六方晶系,基于氮化铝四面体结构单元的钎锌矿共价键化合物,具有良好的导热性、可靠的电绝缘性、低介电常数和介电损耗、无毒、与硅的热膨胀系数相匹配等一系列优良特性,被认为是新一代高集成度半导体基板和电子封装的理想选择材料。

  氮化铝陶瓷基板核心原料氮化铝粉的制备工艺复杂、能耗高、周期长、成本高。高成本限制了氮化铝陶瓷基板的广泛应用,因此氮化铝陶瓷基板主要应用于高端行业。

  氮化硅具有三种晶体结构,其中氮化硅最常见的形态,均为六方结构。氮化硅具有硬度大、强度高、热膨胀系数小、抗氧化性好、热腐蚀性能好、摩擦系数小等许多优良性能。单晶氮化硅的理论热导率高达400W/(m.k),具有成为高热导率衬底的潜力。此外,氮化硅的热膨胀系数约为3.0x10-6℃,与Si、SiC、GaAs等材料具有良好的匹配性,使氮化硅陶瓷基板成为非常有吸引力的高强度高导热电子器件基板材料。

  然而,氮化硅陶瓷介电性能较差(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。

  碳化硅陶瓷基板具有较高的热导率,在高温下为100w/(m·k)~400W/(m·k),是氧化铝的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,热膨胀系数低于氧化铝和氮化铝,碳化硅陶瓷基板具有强共价键特性难以烧结。通常添加少量硼或氧化铝作为烧结助剂以提高密度。实验表明,铍、硼、铝及其化合物是最有效的添加剂,可使SiC陶瓷的密度达到98%以上。

  但碳化硅的介电常数太高,是氮化铝的4倍,抗压强度低,只适合低密度封装,不适合高密度封装。除集成电路元件、阵列元件和激光二极管等外,还用于具有导电性的结构件。

  氧化铍是仅有六方钎锌矿结构的碱土金属氧化物,由于氧化铍具有纤锌矿和强共价键结构,相对分子质量低,因此具有较高的热导率,氧化铍是氧化铝的10倍左右,其热导率在常温可达250 w/(m·K),与金属的导热性好,在高温、高频下,其电性能好,耐热性好,耐热冲击性好,化学稳定性好。

  虽然氧化铍有一些良好的性能,但其致命的缺点是其粉末的极端毒性。长期吸入氧化铍粉尘会引起中毒甚至危及生命,还会造成环境污染,极大地影响氧化铍陶瓷基板的生产和应用[5]。此外,氧化铍生产成本高,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、TWTS、激光管、速调管等。氧化铍陶瓷基板有时用于航空电子和卫星通信具有高导热性和理想的高频特性。

  氮化硼可以以两种不同的形式结晶:六方晶和立方晶。其中立方晶BN硬度高,耐高温1500~1600℃,适用于超硬材料。在正确的热处理下,六方氮化硼可以在非常高的温度下保持很高的化学和机械稳定性。BN材料具有较高的热稳定性、化学稳定性和电绝缘性,同时BN陶瓷的热导率与常温不锈钢相当,介电性能好。BN比大多数陶瓷脆性好,热膨胀系数小,抗热震性强,能承受1500℃以上温差的急剧变化。

  立方BN和六方BN都是在高温高压下制备的,都是典型的共价键晶体。由于其导热系数高,导热系数几乎不随温度变化,介电常数小,绝缘性能好,BN被应用于雷达窗口、大功率晶体管的管座、管壳、散热片和微波输出窗口。但立方BN太贵,不能用于生产高导热陶瓷材料。热膨胀系数与硅的不匹配也限制了它的应用。