陶瓷基板各有千秋，哪個更好？

 陶瓷基板具有優(yōu)異的熱性能、微波性能、力學(xué)性能以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，作為電子元器件在高頻開關(guān)電源、半導(dǎo)體、IGBT、LD、LED等封裝中電路板的應(yīng)用越來越廣領(lǐng)域起著非常重要的作用。隨著我國新能源汽車、高鐵和5G基站的快速發(fā)展，對陶瓷基板需求也日益劇增。氧化鋁陶瓷基板、氮化鋁陶瓷基板、氮化硅陶瓷基板在陶瓷基板里面使用占比最高，陶瓷基板哪個更好呢？

 雖然陶瓷基板是普遍要比其他襯底材料具備更高的熱導(dǎo)率，但具體哪種陶瓷材料更有優(yōu)勢，那還得具體分析分析。目前可供選擇的有氧化鋁、氧化鈹、氮化鋁、氮化硅等，除了氧化鈹因具有劇毒且生產(chǎn)成本較高一般不投入實(shí)用外，其他三者在性能、工藝、成本等方面各有優(yōu)勢及不足，具體如下：

 一，氧化鋁陶瓷基板

       Al2O3是目前應(yīng)用最為廣泛的陶瓷之一，也是最為成熟的陶瓷基板材料，因其機(jī)械強(qiáng)度大、絕緣、耐高溫、穩(wěn)定性好、高性價(jià)比以及對熱沖擊作用的良好抵抗性、與金屬之間能形成密封的釬焊等優(yōu)勢，而且制造和加工工藝都很成熟，是電子陶瓷基板的優(yōu)良原料，目前被廣泛應(yīng)用于厚膜電路、薄膜電路、混合電路、多芯片組件以及大功率IGBT模塊等領(lǐng)域。

 隨著電子產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，氧化鋁陶瓷基板的需求量也在逐年增加。不過氧化鋁陶瓷雖然可以滿足基板的剛性承載需求及耐環(huán)境侵蝕的功能，但其理論熱導(dǎo)率與實(shí)際熱導(dǎo)率都偏低，因此為了更好地滿足電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的要求，提高基板產(chǎn)品質(zhì)量，就必須要重視原料Al2O3粉體的品質(zhì)以及性能指標(biāo)。

 通過長期的研究和生產(chǎn)應(yīng)用，Al2O3的純度、α-相含量、結(jié)晶形貌、粒度分布等指標(biāo)對基板產(chǎn)品質(zhì)量影響較大。因此一般要求：

①Na2O含量低于0.1%，F(xiàn)e及Fe2O、H2O含量盡可能低；

②結(jié)晶形貌以球形為好；

③原料氧化鋁的α-相轉(zhuǎn)化率應(yīng)控制適宜，且保持穩(wěn)定；

④氧化鋁應(yīng)經(jīng)過充分研磨，減少團(tuán)聚顆粒。

二，氮化鋁陶瓷基板

     AlN最為人稱道的就是其可觀的熱導(dǎo)率（比氧化鋁基板差不多高10倍）以及非常優(yōu)良的絕緣性，因此以它為原料制成的基板具有高的導(dǎo)熱性、好的尺寸穩(wěn)定性、寬的操作溫度（工作溫度范圍和耐高溫方面）和優(yōu)良的絕緣性能，在大功率電子半導(dǎo)體模塊、電子加熱器、半導(dǎo)體功率混合電路和半導(dǎo)體導(dǎo)（散）器件等領(lǐng)域都有著廣闊的發(fā)展前景。

      為了最大程度發(fā)揮AlN在導(dǎo)熱上的優(yōu)勢，一般會對用于陶瓷基板的AlN粉體原料提出以下要求：

①鋁空位會散射聲子，因此氧元素的含量需嚴(yán)格控制，通常要小于1wt%；

②為了避免晶格缺陷，F(xiàn)e、Mg、Ca等金屬雜質(zhì)的總含量需不超過500ppm，非金屬雜質(zhì)，包含Si、C等的總含量應(yīng)低于0.1wt%。

③為了更高的致密度，AlN粉末的D50尺寸盡可能的保持在1~1.5um左右且粒度均勻；

但是氮化鋁陶瓷也有美中不足之處，它在常溫下硬度極高且其脆性大，屬于高強(qiáng)度的硬脆材料。根據(jù)資料顯示，AlN陶瓷的彎曲強(qiáng)度為300~400MPa，斷裂韌性為3~4MPa·m1/2，導(dǎo)致氮化鋁基板的使用壽命較短，使得它作為結(jié)構(gòu)基板材料使用受到了限制。為了改善這一點(diǎn)，就要針對氮化鋁陶瓷進(jìn)行加工制程，以符合不同產(chǎn)品應(yīng)用的規(guī)格要求。不過比起一般氧化鋁陶瓷來說，氮化鋁的加工難度確實(shí)要提升不少。

 三，氮化硅陶瓷基板

      Si3N4是一種綜合性能極其優(yōu)秀的特種陶瓷，本身的力學(xué)性能十分突出，具有高強(qiáng)度、高硬度、高電阻率、良好的抗熱震性、低介電損耗和低膨脹系數(shù)等特點(diǎn)。至于熱學(xué)性能，Lightfoot和Haggerty曾根據(jù)Si3N4結(jié)構(gòu)提出氮化硅的理論熱導(dǎo)率在200~300W/(m·K)，因此按理來說Si3N4確實(shí)有潛力成為一種理想的散熱和封裝材料。

      但事實(shí)上與前兩者相比，氮化硅陶瓷在大功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域的應(yīng)用要少許多，這主要是因?yàn)樗容^“難搞”，很難同時滿足熱導(dǎo)率及力學(xué)性能要求。目前氮化硅陶瓷實(shí)際熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論熱導(dǎo)率的值，商業(yè)化的氮化硅基板熱導(dǎo)率差不多在85-95W/m?K之間，而一些高熱導(dǎo)率氮化硅陶瓷(＞150W/(m·K))還處于實(shí)驗(yàn)室階段。

影響氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率的因素有晶格氧、晶相、晶界相等，其中氧原子因?yàn)樵诰Ц裰袝l(fā)生固溶反應(yīng)生成硅空位和造成晶格畸變，從而引起聲子散射，降低氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率而成為主要因素。不過隨著制備工藝的不斷優(yōu)化，氮化硅陶瓷實(shí)際熱導(dǎo)率也在不斷提高。為了降低晶格氧含量，可采取的措施有以下：

①在原料的選擇上降低氧含量：可選用含氧量比較少的Si粉作為起始原料或高純度的α-Si3N4或者β-Si3N4來減少氧含量；

②選用適當(dāng)?shù)臒Y(jié)助劑來減少氧含量：目前使用較多的燒結(jié)助劑是Y2O3-MgO，但是仍不可避免地引入了氧雜質(zhì)，因此可以選用非氧化物燒結(jié)助劑來替換氧化物燒結(jié)助劑，如YF3-MgO、MgF2-Y2O3等。

四，陶瓷基板選用什么制造成型工藝？

陶瓷板常見的成型技術(shù)主要有注射成型、干壓成型和流延成型等。其中，注射成型效率高，但做大尺寸薄板比較困難；干壓成型產(chǎn)品密度高、基板平整度容易保證，但生產(chǎn)效率低、成本高，制備超薄基板比較困難。

而流延成型因其具有眾多優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于生產(chǎn)氧化鋁陶瓷基板，它是指在陶瓷粉料中加入溶劑、分散劑、粘結(jié)劑、增塑劑等物質(zhì)，從而使?jié){料分布均勻，然后在流延機(jī)上制成不同規(guī)格陶瓷片的制造工藝，也被稱為刮刀成型法。該工藝最早出現(xiàn)于上世紀(jì)40年代后期，被用于生產(chǎn)陶瓷片層電容器，該工藝的優(yōu)點(diǎn)在于：

①設(shè)備操作簡單，生產(chǎn)高效，能夠進(jìn)行連續(xù)操作且自動化水平較高；

②胚體密度及膜片彈性較大；

③工藝成熟；

④生產(chǎn)規(guī)格可控且范圍較廣.

但由于流延法坯體致密度較低，燒結(jié)時容易變形，制備大尺寸基板優(yōu)等品率低，因而提高導(dǎo)熱性、控制良品率是其面臨的主要問題。

總的來說，雖然陶瓷基板的制造工藝相對固定，但通過選用不同的原料，它們在性能上的表現(xiàn)就會截然不同，繼而影響下游應(yīng)用領(lǐng)域的選擇。

內(nèi)容來源：

氧化鋁粉體性能對流延法生產(chǎn)陶瓷基板的影響，李建忠，張勇，徐大余。

高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板研究現(xiàn)狀，廖圣俊，周立娟，尹凱俐，王建軍，姜常璽。

適合于導(dǎo)熱基板用AIN粉體的制備與表征，馬丁。