电子封装陶瓷基片材料的种类

现代微电子技术发展异常迅速，电子系统及设备向大规模集成化、微型化、高效率、高可靠性等方向发展。电子系统集成度的提高将导致功率密度升高，以及电子元件和系统整体工作产生的热量增加，因此，有效的电子封装必须解决电子系统的散热问题。电子封装基片材料作为一种底座电子元件，主要为电子元器件及其相互联线提供机械承载支撑、气密性保护和促进电气设备的散热。为加强陶瓷基板及其封装行业上下游交流联动，艾邦建有陶瓷基板产业群，欢迎产业链上下游企业加入。

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常用电子封装基片材料主要有 3 大类：塑料、金属及金属基复合材料和陶瓷，陶瓷基片是一种常用的电子封装基片材料，与塑封料和金属基片相比，其优势在于以下几个方面：

1)绝缘性能好，可靠性高。高电阻率是电子元件对基片的最基本要求，一般而言，基片电阻越大，封装可靠性越高，陶瓷材料一般都是共价键型化合物，其绝缘性能较好。

2) 介电系数较小，高频特性好。陶瓷材料的介电常数和介电损耗较低，可以减少信号延迟时间，提高传输速度。

3) 热膨胀系数小，热失配率低。共价键型化合物一般都具有高熔点特性，熔点越高，热膨胀系数越小，故陶瓷材料的热膨胀系数一般较小。

4)热导率高。根据传统的传热理论，立方晶系的 BeO、SiC 和 AlN 等陶瓷材料，其理论热导率不亚于金属的。

因此，陶瓷基片材料被广泛应用于航空、航天和军事工程的高可靠、高频、耐高温、强气密性的产品封装。常见的陶瓷基片材料有 Al2O3 陶瓷基片、AlN 陶瓷基片、BeO 陶瓷基片、Si3N4 陶瓷基片、SiC 陶瓷基片等。

1、Al2O3陶瓷基片

Al2O3 陶瓷是指以 Al2O3 为主要原料，α-Al2O3 为主晶相，Al2O3 含量在 75%(质量分数)以上的各种陶瓷。Al2O3 陶瓷具有原料来源丰富、价格低廉、机械强度和硬度较高、绝缘性能、耐热冲击性能和抗化学侵蚀性能良好、尺寸精度高、与金属附着力好等一系列优点，是一种综合性能较好的陶瓷基片材料。Al2O3 陶瓷基片广泛应用于电子工业，占陶瓷基片总量的 90%，已成为电子工业不可缺少的材料。

电子封装陶瓷基片材料的种类

图氧化铝基板，摄于盈和电子展台

目前使用的 Al2O3 陶瓷基片大多采用多层基片，Al2O3 的含量占 85.0%~99.5%(质量分数)，Al2O3 含量提高了电绝缘性能、热导率和耐冲击性能都会有所提高，但同时会导致烧结温度的上升和生产成本增加。为了降低烧结温度，同时保证 Al2O3 陶瓷基片的力学性能和电性能，往往需要加入一定量的烧结助剂，如B2O3、MgO、CaO、SiO2、TiO2、Nb2O5、Cr2O3、 CuO、Y2O3、La2O3 和 Sm2O3等金属氧化物来促进烧结。

目前，虽然 Al2O3 陶瓷基片的产量多、应用广，但因其热导率(99 瓷的热导率为 29W/(m·K))较低，热膨胀系数(7.2×10−6/℃）相对硅单晶(Si 的热膨胀系数为(3.6~4.0×10−6/℃)而言偏高，故 Al2O3 陶瓷基片在高频、大功率、超大规模集成电路中的使用受到限制。

2、AlN 陶瓷基片

AlN 晶体的晶格常数为 α=0.3110 nm，c=0.4890nm，属六方晶系，是以[AlN4]四面体为结构单元的纤锌矿型共价键化合物，此结构决定了其优良的热性能、电性能和力学性能等。AlN 陶瓷很好的导热性能(理论上单晶 AlN 的热导率可以高达 320 W/(m·K)，而实际所测多晶 AlN 陶瓷的热导率为 30~260 W/(m·K))、较低的介电常数以及与 Si、SiC 和 GaAs 等半导体材料相匹配的热膨胀系数(AlN 的热膨胀系数为(3.8~4.4×10−6/℃，Si 的为3.6~4.0×10−6/℃，GaAs 的为6×10−6/ ℃)等优点，使其成为新一代基片的理想材料。

图氮化铝陶瓷基板，摄于成都旭瓷展台

在 AlN 陶瓷的烧结过程中，既要达到致密烧结、降低杂质含量，又要降低温度、减少成本，则选择适当的烧结助剂是关键。实验研究表明：Y2O3、CaO、Li2O、BaO、MgO、SrO2、La2O3、HfO2和 CeO2能有效促进 AlN 陶瓷的烧结，而且三元体系 Y2O3-CaO-Li2O 是比较理想的烧结助剂体系。

3、BeO 陶瓷基片

BeO 晶体的晶格常数为 α=2.695Å，c=4.390Å，是碱土金属氧化物中唯一的六方纤锌矿结构(Wurtzite)。由于 BeO 具有纤锌矿型和强共价键结构，而且相对分子质量很低，因此，BeO 具有极高的热导率。在现今使用的陶瓷材料中，室温下 BeO 的热导率最高，比Al2O3陶瓷高一个数量级。

BeO 缺点是具有很强的毒性，另外，BeO 熔点为(2570±20) ℃，纯 BeO 陶瓷的烧结温度达 1900 ℃以上，使得其生产成本较高。由于以上原因，它的生产和推广应用受到限制。但有时在卫星通讯和航空电子设备中，为追求高导热、高频特性，仍采用 BeO 陶瓷基片。

4、Si3N4陶瓷基片

氮化硅陶瓷（Si3N4）是一种由硅和氮组成的共价键化合物，氮化硅陶瓷基板具有高的力学性能，其抗弯强度和断裂韧性是氮化铝和氧化铝的2~3倍，并且具有较高的热导率以及极好的热辐射性和耐热循环性，是公认的集高导热率、高可靠性于一身的陶瓷基板材料。

图氮化硅粉，摄于河北高富展台

由于 Si3N4 属于强共价键化合物，结构稳定，依靠固相扩散很难烧结致密，必须通过添加烧结助剂来促进烧结，如金属氧化物（MgO、CaO、Al2O3）和稀土氧化物（Yb2O3、Y2O3、Lu2O3、CeO2）等，借助液相烧结机理来进行致密化。

在陶瓷材料中，除 SiO2(石英)外，Si3N4 的热膨胀系数几乎是最低的，为 3.2×10−6/℃，约为 Al2O3的 1/3。但其介电性能稍差(介电常数为 8.3，介电损耗为 0.001~0.1)，生产成本也偏高，限制其作为电子封装陶瓷基片的应用。

5、SiC 陶瓷基片

SiC 单晶体具有很高的热导率，纯 SiC 单晶体室温下的热导率高达 490 W/(m·K)，但由于晶粒取向的差异，多晶 SiC 陶瓷的热导率只有 67W/(m·K)。另外，SiC 绝缘程度低，且介电损耗大，高频特性差，不宜作为封装基片材料。研究发现，在以 SiC 为基的材质中加入一定量的 BeO，可以较大程度地改善其绝缘性能和介电性能。对于经改性后的 SiC 材料可以用作大规模集成电路的绝缘基片材料和散热板，特别是作为基片材料使用，其性能优良。

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资料来源：《电子封装陶瓷基片材料的研究进展》，李婷婷，彭超群等

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先进封装设备类似前道晶圆制造设备，供应商受益先进封测产业增长。随着先进封装的发展，Bumping(凸块)、Flip(倒装) 、TSV 和 RDL(重布线)等新的连接形式所需要用到的设备也越先进。以长球凸点为例，主要的工艺流程为预清洗、UBM、淀积、光刻、焊料电镀、去胶、刻蚀、清洗、检测等，因此所需要的设备包括清洗机、PVD 设备、光刻机、刻蚀机、电镀设备、清洗机等，材料需要包括光刻胶、显影剂、刻蚀液、清洗液等。为促进行业发展，互通有无，欢迎芯片设计、晶圆制造、装备、材料等产业链上下游加入艾邦半导体先进封装产业链交流群。

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作者808, ab

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