氮化铝PK氮化硅，谁是预防芯片“中暑”的最强基板材料(转)

       基于现阶段电子芯片的综合性能越来越高、整体尺寸越来越小的发展情况，电子芯片工作过程中所呈现出的热流密度同样大幅提升。对于电子器件而言，通常温度每升高10℃，器件有效寿命就降低30%~50%。因此，选用合适的封装材料与工艺、提高器件散热能力就成为发展功率器件的技术瓶颈。

以大功率LED封装为例，由于输入功率的70%~80%转变成为热量(只有约20%~30%转化为光能)，且LED芯片面积小，器件功率密度很大(大于100W/cm²)，如果不能及时将芯片发热导出并消散，大量热量将聚集在LED内部，芯片结温将逐步升高，一方面使LED性能降低(如发光效率降低、波长红移等)，另一方面将在LED器件内部产生热应力，引发一系列可靠性问题。
  封装基板主要利用材料本身具有的高热导率，将热量从芯片（热源）导出，实现与外界环境的热交换。目前常用封装基板主要可分为高分子基板、金属基板和陶瓷基板几类。
  对于功率器件封装而言，封装基板除具备基本的布线功能外，还要求具有较高的导热、耐热、绝缘、强度与热匹配性能。因此，高分子基板和金属基板使用受到很大限制；陶瓷材料本身具有热导率高、耐热性好、高绝缘、高强度、与芯片材料热匹配等性能，非常适合作为功率器件封装基板，目前已在半导体照明、激光与光通信、航空航天、汽车电子、深海钻探等领域得到广泛应用。
  目前，常用电子封装陶瓷基板材料包括氧化铝、碳化硅、氮化铝、氮化硅、氧化铍等。在这几种材料中，谁是芯片散热的最优选呢？

氧化铝陶瓷是最为常见的一种陶瓷基板材料，早在1929年，德国西门子公司就成功地研制Al₂O₃陶瓷，并于1932年发表研究成果，1933年开始进行工业化生产。它因价格较低、稳定性好、绝缘性和机械性能较好，而且工艺技术纯熟，是目前应用最为广泛的一种陶瓷基板材料。

  但是Al₂O₃陶瓷的热导率较低（20W/（m·K）），而且热膨胀系数与Si不太匹配，在一定程度上限制了其在大功率电子产品中的应用，其应用范围局限在电路所能承受的电压较低和电路的集成度不太高的封装领域。BeO陶瓷是目前较为常用的高导热陶瓷基板材料，综合性能良好，能够满足较高的电子封装要求，但是其热导率随温度波动变化较大，温度升高其热导率大幅度下降。此外，BeO粉末有剧毒，大量吸入人体后将导致急性肺炎，长期吸入会引起慢性铍肺病，这大大限制了它的应用。据了解，日本如今已经不允许BeO的生产，而且在欧洲BeO相关的电子产品也受到一定限制。
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490W/（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。因此，SiC作为电路基片材料，多年来一直研究得较少。
  由此看来，以上三种陶瓷材料作为基板材料并不是很给力，尤其在大功率器件方面潜力一般，我们再来看看氮化铝和氮化硅。
  相比之下，氮化铝陶瓷的各项性能优异，尤其是高热导率的特点，其理论热导率可达320W/（m·K），其商用产品热导率一般为180W/（m·K）~260W/（m·K），使其能够用于高功率、高引线和大尺寸芯片封装基板材料。
  早在20世纪80年代初期，世界上一些发达国家就开始从事AlN基片的研究和开发，其中日本开展得最早，技术也最成熟，1983年就研制出热导率为95W/（m·K）的透明AlN陶瓷和260W/（m·K）的AlN陶瓷基片，而且从1984年开始推广应用。
此外，氮化铝陶瓷还具较高的机械强度及化学稳定性，能够在较恶劣的环境下保持正常的工作状态。正是因为氮化铝陶瓷具有诸多的优良性能，氮化铝陶瓷会在众多陶瓷基板材料中脱颖而出，成为新一代先进陶瓷封装材料的代表产品。
氮化硅方面，1995年以前，Si₃N₄室温下的热导率为20~70/W（m·K），远低于AlN和SiC的热导率，因此，Si₃N₄的导热性能一直没能引起人们的注意。
  1995年，人们对氮化硅热导率的认识发生了转变，一位叫Haggerty的科学家通过经典固体传输理论计算表明，Si₃N₄材料热导率低的主要原因与晶格内缺陷、杂质等有关，并预测其理论值最高可达320W/（m·K）。之后，科研人员在提高Si₃N₄材料热导率方面出现了大量的研究，通过工艺优化，氮化硅陶瓷热导率不断提高，目前已突破177W/（m·K）。
此外，Si₃N₄陶瓷最大的优点就是热膨胀系数低，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。
  整体来看，氮化铝陶瓷基板的最大优势是它的热导率较高，且具有与Si、SiC和GaAs等半导体材料相匹配的热膨胀系数，因此在解决大功率器件散热方面的确是一把好手。而氮化硅陶瓷主打的就是一个全面性，在现有可作为基板材料使用的陶瓷材料中，Si₃N₄陶瓷抗弯强度高(大于800MPa)，耐磨性好，被称为综合机械性能最好的陶瓷材料，在强度要求较高的散热环境下要强于其他材料。
  因此，这两种材料均成为近些年及今后最值得重视的基板材料。