常见的功率半导体器件封装用陶瓷基板材料

功率电子器件即功率半导体器件（power electronic device），通常是指用于控制大功率电路的电子器件（数十至数千安培的电流，数百伏以上的电压）以及转换电力设备间电能的器件。功率半导体器件的大规模集成化、大功率小型化、高效率低损耗、超高频的发展而引发的电路发热也迅速提高，电子封装对基板材料的要求有：热导率高、介电常数低、与芯片材料的热膨胀系数相匹配、力学强度优良、加工性能好、成本低、耐热冲击和冷热循环等。

作为功率半导体器件第三次技术革命的代表性产品，IGBT模块典型封装结构如图所示，可以看出芯片产生的热量主要通过基板和散热器传递出去，因此基板所采用的材料需要导热性能优良、耐热冲击，同时介电常数要低，避免产生杂散电感，减少能源损耗。为实现机械固定，基板材料还需要具有一定的强度。

图  IGBT功率模块封装典型结构

由于陶瓷材料具有强度高、绝缘性好、导热和耐热性能优良、热膨胀系数小、化学稳定性好等优点，非常适合作为功率半导体器件封装用基板材料。市面上常见的功率半导体器件封装陶瓷基板大多采用直接覆铜（direct bonding copper，DBC）和活性金属钎焊（active metal brazing，AMB）技术，此外还有直接敷铝技术（Direct Bonded Aluminum，DBA），将不同的金属材料（Cu、Al）与陶瓷材料互连，作为功率器件封装用基板；目前市场上所用的陶瓷基板材料主要有氧化铝（Al2O3）陶瓷基板、氮化铝（AlN）陶瓷基板和氮化硅（Si3N4）陶瓷基板三种。

1、氧化铝Al2O3

氧化铝（Al2O3）具有高导热性、高机械强度和良好的电气性能、化学稳定性好，与金属附着 性良好，并且价格低廉产量大，是陶瓷基板材料中使用量最多、应用最成熟的材料。

图  奥诺新材氧化铝陶瓷基片

但氧化铝热导率相对较低，芯片工作时产生的热量没法及时散出；氧化铝的断裂韧性较低，抗冲击能力差；热膨胀系数相对较高，与硅的适配性较差，在一定温度下的反复循环中电子器件内部容易累计应力，从而造成芯片的失效概率大大升高，降低了器件的可靠性，不能满足更大功率密度电子器件的使用要求，从而限制了其更广泛领域的应用。

业内在氧化铝陶瓷成分的基础上做一些改性，如掺杂氧化锆，即氧化锆增韧氧化铝（ZTA，Zirconia Toughened Alumina）陶瓷，使其既具有优良的导热性能，又有较高的机械强度，主要用于长寿命和高可靠性的应用。前面的文章我们为大家做过介绍，可以点击查看：氧化锆增韧氧化铝（ZTA）基板的特点及应用

国内氧化铝基板相关厂家有潮州三环、成都旭瓷、江西创科、奥诺新材料、六方钰成、郑州中瓷、粤科京华等。

2、氮化铝AlN

早在20世纪80年代日本已经成功生产出热导率高达260W/(m·K)的AlN陶瓷基片，在次年就开始推广和应用。AlN陶瓷具有优良的热导率、电绝缘性能和介电性能，与Si、SiC、GaN 等半导体芯片的热膨胀系数相近，被认为是新一代理想的功率电子器件封装基板材料。

图  氮化铝陶瓷基板，来源：旭瓷

AlN 陶瓷热导率高，其理论热导率可以达到 319 W/(m·K)，市场上可获得的 AlN 陶瓷由于其中杂质和第二相的存在，导致热导率下降，一般为100~260W/m·K。国内外研究人员针对提高AlN 陶瓷热导率方面有诸多研究，如添加 Y2O3或者Y2O3-LaF3 ，使用新型粘结剂，改善烧结工艺等。

图  添加Thermalnite®的氮化铝基板，来源：U-MAP

此外，AlN 陶瓷基板存在机械性能较差，如断裂韧性，抗弯强度较低及热震性较差。日本U-MAP开发了一种纤维状的氮化铝单结晶Thermalnite®，通过在原材料氮化铝粉末中添加Thermalnite®，改变陶瓷基板内部的柱状组织， 提升氮化铝基板的机械性能。

图   基本半导体 SOT-227碳化硅肖特基二极管采用AlN陶瓷基板

国内相关厂家有华清、艾森达、成都旭瓷、潮州三环、臻璟新材、山东国瓷、无锡海古德、江西创科、浙江正天、六方钰成、九豪、中瓷电子等。

3、氮化硅Si3N4

氮化硅综合性能优异，具有导热性高、介电强度高以及与Si、SiC、GaN等的热膨胀系数相匹配等特点，其理论热导率高达200~300W/(m·K)，但氮化硅基板实际热导率远远低于理论热导率的值，目前Si3N4陶瓷商用的热导率达到90W/(m·K)，相对于AlN的热导率低，但远大于Al2O3的热导率，同时机械强度高，断裂韧性好，高温可靠性更好、抗热震性优异，是国内外公认兼具高导热、高可靠性等综合性能最好的陶瓷基板材料，适用于IGBT、SiC等对大功率半导体器件等要求高可靠性的绝缘电路板用途。

图  利普思半导体的 HPD 系列 SiC 功率模块采用 Si3N4 AMB 基板

氮化硅陶瓷热导率还有待进一步提高。氮化硅陶瓷所含的氧杂质是影响其热导率的主要因素之一。氮化硅的氧杂质一旦固溶到晶粒内成为晶格氧就会引起晶格缺陷的产生，晶格缺陷又引起声子散射，从而导致热导率降低。如何降低氮化硅陶瓷的晶格氧含量，是提高的氮化硅陶瓷的热导率的有效方法。

图  艾森达即烧型氮化硅基板

国内氮化硅基板相关厂家有艾森达、成都旭瓷、江西创科、浙江正天、河北高富、中材高新、苏州博胜、宜兴红星电子、福建臻璟 、海古德、威海圆环、新疆晶硕等。

功率半导体器件上陶瓷材料的选择需要根据应用的需求从陶瓷的热导率、热膨胀系数、电绝缘性能、机械强度、成本等进行综合考虑，合适的就是最好的。

原文始发于微信公众号（艾邦陶瓷展）：常见的功率半导体器件封装用陶瓷基板材料