近年來，半導體器件正沿著大功率化、高頻化、集成化的方向發(fā)展。大功率半導體器件在風力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電、電動汽車、LED照明等領域都有廣泛的應用?？梢哉f大功率半導體器件，是綠色經濟的核“芯”。

任何半導體器件在工作時都有一定的損耗，大部分的損耗均變成熱量。有統(tǒng)計表明，由熱引起的器件失效高達55%，可見熱是影響大功率半導體器件可靠性的關鍵因素。半導體封裝內的芯片、金屬鍍層等部分一般都具有良好的散熱性，因此封裝內的絕緣基板材料的導熱性能是影響整個半導體器件散熱的關鍵。此外，半導體器件使用過程中往往要面臨復雜的力學環(huán)境，這也對半導體器件所用材料的服役可靠性提出了很高要求。一種優(yōu)秀的基片材料應具有高熱導率及良好的力學性能。相比于傳統(tǒng)的樹脂基片材料，陶瓷材料具有更優(yōu)異的導熱性及力學性能，并具有高熔點、高硬度、高耐磨性、耐氧化等優(yōu)點，是高端半導體器件，特別是大功率半導體器件基片的最佳材料。

一、半導體器件用基片材料性能要求

半導體封裝基片材料是承載電子元件及其相互聯(lián)線，并具有良好的電絕緣性的基體，基片材料應具有以下性能：①良好的絕緣性和抗電擊穿能力；②高的熱導率：導熱性直接影響半導體期間的運行狀況和使用壽命，散熱性差導致的溫度場分布不均勻也會使電子器件噪聲大大增加；③熱膨脹系數(shù)與封裝內其他所用材料匹配；④良好的高頻特性：即低的介電常數(shù)和低的介質損耗；⑤表面光滑，厚度一致：便于在基片表面印刷電路，并確保印刷電路的厚度均勻。

目前常用的基片材料主要包括：陶瓷基片、玻璃陶瓷基片、金剛石、樹脂基片、硅（Si）基片以及金屬或金屬基復合材料等。其中陶瓷由于具有絕緣性能好、化學性質穩(wěn)定、熱導率高、高頻特性好等優(yōu)點而最受矚目，在銷售額總量上占全部基片的50%以上。歐美、日本的陶瓷基片市場規(guī)?？蛇_50億美元以上；國內對陶瓷基片的需求也十分巨大，以氧化鋁陶瓷基片為例，目前我國的需求量每年超過100萬m2，而其中近90%依賴進口。

二、半導體器件用陶瓷基片材料發(fā)展現(xiàn)狀

目前已經投入生產應用的陶瓷基片材料主要包括氧化鈹（BeO）、氧化鋁（AL2O3）和氮化鋁（AIN）等。

1.BeO陶瓷基片材料

BeO屬六方纖鋅礦結構，鈹（Be）與氧（O）距離很小，原子間堆積致密，加之平均原子量較低，符合德拜理論所闡述的高熱導率陶瓷的條件，是氧化物中難得的具有高電阻、高熱導率的陶瓷材料，其室溫熱導率可達250W/（m·K），與金屬的熱導率相當。制備高性能BeO陶瓷一般采用采用MgO-Al2O3-SiO2系燒結助劑，也有研究表明摻雜0.1%（質量分數(shù)）的Tb4O7能夠提高BeO陶瓷的熱導率，摻雜CeO2和Nd2O3能夠提高BeO陶瓷的密度[1-3]。

20世紀60年代，美國日本等發(fā)達國家就已經研制出多層BeO陶瓷基片。直至今日，美國仍是BeO陶瓷基片材料的主要產地，其BeO陶瓷基片產量及金屬化技術均處于世界前列，如布拉什韋爾曼（Brush Welman）公司、Accuratus公司、IJ研究院等。日本的住友化學株式會社（以下簡稱“住友”）、京瓷株式會社（以下簡稱“京瓷”）、日本特殊陶業(yè)株式會社（以下簡稱“日本特殊陶業(yè)”）等企業(yè)都生產過BeO陶瓷，產品的熱性能、機械性能和電性能方面具有明顯的優(yōu)勢[4-6]。

BeO陶瓷的致命缺點是其劇毒性，長期吸入BeO粉塵會引起中毒甚至危及生命，并會對環(huán)境造成污染，這極大影響了BeO陶瓷基片的生產和應用。隨著新材料的不斷進步，未來BeO陶瓷基片也將退出歷史舞臺。

2.Al2O3陶瓷基片材料

Al2O3陶瓷是目前制作和加工技術最成熟的陶瓷基片材料，Al2O3陶瓷基片的主要成分為α-Al2O3，這也是Al2O3多種同質多晶體中最穩(wěn)定的一種。根據Al2O3含量的不同有75瓷，85瓷，95瓷和99瓷等不同牌號。Al2O3陶瓷基片具有介電損耗低，電性能與溫度的關系不大，機械強度較高，化學穩(wěn)定性好的優(yōu)點。近些年來，國內外對于Al2O3陶瓷基片研究的側重點在于優(yōu)化燒結方法和燒結助劑的選擇。常用的燒結方法有常壓燒結法、熱壓燒結法、熱等靜壓燒結法、微波加熱燒結法、微波等離子燒結法和放電等離子燒結法（SPS）。燒結助劑則通常選用三氧化二硼（B2O3）、氧化鎂（MgO）、二氧化硅（SiO2）、二氧化鈦（TiO2）、三氧化二釔（Y2O3）和氧化釤（Sm2O3）等金屬氧化物。

雖然Al2O3基片是目前電子行業(yè)中應用最成熟的陶瓷材料，但因其熱導率較低，99瓷Al2O3熱導率僅為29W/（m·K）。此外，Al2O3熱膨脹系數(shù)較高（7.2×10-6/℃），而芯片硅單晶的熱膨脹系數(shù)僅為（3.6～4.0）×10-6/℃，在反復的溫度循環(huán)中容易累積內應力，大大增加了芯片失效概率。這些決定了Al2O3基片并不能適應半導體器件大功率化的發(fā)展趨勢，其應用只限于低端領域[4-6]。

3.氮化鋁（AIN）陶瓷基片材料

AlN為具有六方纖鋅礦結構的Ⅲ-Ⅴ族共價鍵化合物。鋁與氮都是四配位，2種Al-N鍵的鍵長分別為 0.1885nm和0.1917nm，鍵角分別為107.7°和110.5°，其晶體的理論密度為3.261g/cm3。這種結構使AlN陶瓷材料成為少數(shù)幾種具有高導熱性能的非金屬材料之一。AIN陶瓷基片有著Al2O3陶瓷基片5倍以上的熱導率，可達150W/（m·K）以上。另外，AlN的熱膨脹系數(shù)為（3.8～4.4）×10-6/℃，與Si、碳化硅（SiC）和砷化鎵（GaAs）等半導體芯片材料熱膨脹系數(shù)匹配良好。

20世紀80年代，部分發(fā)達國家就開始對AlN陶瓷基片進行研發(fā)。其中日本對于AlN陶瓷基片的研發(fā)處于世界的前列。東芝、日本電氣、日立等日本公司在1985年就已經把AlN陶瓷基片投入生產。現(xiàn)如今，日本還有多家企業(yè)研發(fā)和生產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粉體制備工藝復雜、能耗高、周期長、價格昂貴。國內的AlN粉體基本依賴進口，原料的批次穩(wěn)定性、成本也成為國內高端AlN陶瓷基片材料制造的瓶頸[4-6]。

高成本限制了AlN陶瓷的廣泛應用，因此目前AIN陶瓷基片主要應用于高端產業(yè)。此外AlN雖然具有優(yōu)秀的導熱性能和與半導體材料相匹配的線膨脹系數(shù)，但是其力學性能較差，如其抗彎強度只有300MPa。在復雜的力學服役環(huán)境下，AlN基片易發(fā)生損壞，從而對半導體器件壽命造成影響，并增加使用成本。

三、氮化硅（Si3N4）陶瓷基片

Si3N4具有3種結晶結構，分別是α相、β相和γ相。其中α相和β相是Si3N4最常見的形態(tài)，均為六方結構，可在常壓下制備。Si3N4陶瓷具有硬度大、強度高、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、與用油潤滑的金屬表面相似等諸多優(yōu)異性能，是綜合性能最好的結構陶瓷材料。單晶氮化硅的理論熱導率可達400W/（m·K），具有成為高導熱基片的潛力[7]。此外Si3N4的熱膨脹系數(shù)為3.0×10-6/℃左右，與Si、SiC和GaAs等材料匹配良好，這使Si3N4陶瓷將成為一種極具有吸引力的高強高導熱電子器件基板材料[8]。

與其他陶瓷材料相比，Si3N4陶瓷材料具有明顯優(yōu)勢，尤其是在高溫條件下氮化硅陶瓷材料表現(xiàn)出的耐高溫性能、對金屬的化學惰性、超高的硬度和斷裂韌性等力學性能。表1為Si3N4、AIN和Al2O3三種陶瓷基板材料的性能比較?？梢缘贸鯯i3N4陶瓷的抗彎強度、斷裂韌性都可達到AIN的2倍以上。特別是在材料可靠性上，Si3N4陶瓷具有其他二者無法比擬的優(yōu)勢。

Si3N4陶瓷為強共價鍵結構，熱的傳遞機制為聲子傳熱。Si3N4陶瓷燒結體復雜的結構，對聲子的散射較大，使常用Si3N4陶瓷結構件產品熱導率偏低。然而通過配方設計和燒結工藝優(yōu)化等方法，目前高導熱Si3N4陶瓷，在不損失力學性能的前提下，熱導率可達80～100W/（m·K）[9]。從熱導率的角度，似乎Si3N4陶瓷與AlN還存在差距。但是陶瓷基片在半導體封裝中是以陶瓷覆銅板的形式使用的，Si3N4陶瓷基板優(yōu)異的力學性能，使其可以涂覆更厚的金屬銅（Cu）。如圖1所示，厚度為0.635mm的AlN陶瓷基板單邊只能涂覆0.3mm左右厚的Cu，Cu層更厚會導致基板開裂，而厚度為0.32mm的Si3N4陶瓷基板單邊覆銅厚度可達0.5mm以上。這2種陶瓷覆銅板的熱阻都為0.5℃/W，如表1所示。即二者在使用時的散熱性是等效的[10]。

此外，Si3N4陶瓷覆銅板還具有更高的安培容量，如圖2所示?？梢奡i3N4陶瓷是綜合了散熱性能、可靠性和電性能最佳的半導體絕緣基片材料，未來應用前景十分廣闊。

Si3N4陶瓷基片材料在未來的廣闊的市場前景，引起了國際陶瓷企業(yè)的高度重視。而目前全球真正將Si3N4陶瓷基片用于實際生產電子器件的只有東芝、京瓷和羅杰斯等少數(shù)公司。商用Si3N4陶瓷基片的熱導率一般在56～90W/（m·K）。以日本東芝公司為例，截至2016年已占領了全球70%的氮化硅基片市場份額，據報道其Si3N4陶瓷基片產品已用于混合動力汽車/純電動汽車（HEV/EV）市場領域。圖3為Si3N4陶瓷基片替代AlN陶瓷基片在電動汽車中的應用案例。

從2015年起，北京中材人工晶體研究院有限公司（下簡稱“晶體院”）依靠現(xiàn)有研發(fā)條件，開展了高導熱氮化硅基片的研發(fā)工作。通過優(yōu)化配方及工藝燒結工藝優(yōu)化，成功制備了高導熱Si3N4陶瓷基片材料。表2為晶體院高導熱Si3N4陶瓷材料與東芝產品的關鍵性能比較，可見晶體院高導熱Si3N4陶瓷材料熱導率已十分接近東芝產品，并且在力學性能上實現(xiàn)了較大幅度超越。圖4為晶體院制備的高導熱Si3N4陶瓷基片。

四、結語

目前，全球半導體器件技術都朝著更高的電壓、更大的電流，和更大的功率密度方向發(fā)展。這種趨勢推動著寬禁帶半導體﹝如SiC和氮化鎵（GaN）﹞在不久的將來迅速的替代Si。高的功率和使用環(huán)境的復雜力學性，對封裝材料的服役可靠性提出了極嚴苛的要求。如前文分析Si3N4陶瓷基片是集高熱導率、高可靠性于一身的綜合性能最佳的基片材料，Si3N4陶瓷基片必將是未來半導體器件陶瓷基片的發(fā)展趨勢，并為第3代半導體的發(fā)展提供堅實的材料基礎！

參考文獻

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