氮化铝——最“时髦”的基板材料

摘要：中国粉体网讯进入21世纪以来，随着电子技术的迅猛发展，电子元器件的集成程度与组装密度不断提高，散热成为影响器件性能与可靠性的关键。以大功率LED封装为例，输入功率只有约20%~30%转化为光能，而剩下的70%~80%则转变成为热量，大量的热量聚集，后果很严重。

中国粉体网讯 进入21世纪以来，随着电子技术的迅猛发展，电子元器件的集成程度与组装密度不断提高，散热成为影响器件性能与可靠性的关键。以大功率LED封装为例，输入功率只有约20%~30%转化为光能，而剩下的70%~80%则转变成为热量，大量的热量聚集，后果很严重。

采用封装基板将热量从芯片（热源）导出，实现与外界环境的热交换以达到散热的目的。其中陶瓷材料凭借热导率高、耐热性好、高绝缘、高强度、与芯片材料热匹配等性能，成为了功率器件封装基板的常用材料。

图片来源：中瓷电子

01.氮化铝，高导热及综合性能令人着迷

长期以来，常用的陶瓷基板包含Al2O3、SiC和BeO等。Al2O3陶瓷开发最早，制备技术最为成熟，成本最低，应用最广泛，但Al2O3陶瓷的热导率仅为17-25W/(m·K)，且Al2O3陶瓷与Si及GaAs等半导体材料的热膨胀系数匹配性较差，限制了其在高频、大功率、高集成电路中的使用。虽然SiC陶瓷基板的热导率高，热膨胀系数与Si最为相近，但其介电性能较差，烧结损耗大、成本高，且难以制得致密的产品，限制了其大批量应用。BeO的热导率虽与AlN相当，但热膨胀系数过高，且BeO粉体有毒性，吸入人体后会导致慢性铍肺病，世界上大多数国家早已停止使用BeO。

常见陶瓷材料的介电性能和导热系数表

氮化铝性能如何呢？我们来看一下：

（1）氮化铝的导热率较高，室温时理论导热率最高可达320W/(m·K)，是氧化铝陶瓷的8～10倍，实际生产的热导率也可高达200W/(m·K)；

（2）氮化铝线膨胀系数较小，理论值为4.6×10-6/K，与Si、GaAs的热膨胀系数相近，变化规律也与Si的热膨胀系数的规律相似。另外，氮化铝与GaN晶格相匹配。热匹配与晶格匹配有利于在大功率器件制备过程中芯片与基板的良好结合，这是高性能大功率器件的保障；

AlN陶瓷粉末和AlN陶瓷基片

（3）氮化铝陶瓷的能隙宽度为6.2eV，绝缘性好，应用于大功率LED时不需要绝缘处理，简化了工艺；

（4）氮化铝为纤锌矿结构，以很强的共价键结合，所以具有高硬度和高强度，机械性能较好。另外，氮化铝具有较好的化学稳定性和耐高温性能，在空气氛围中温度达1000℃下可以保持稳定性，在真空中温度高达1400℃时稳定性较好，有利于在高温中烧结，且耐腐蚀性能满足后续工艺要求。

你说，氮化铝用作基板材料哇塞不哇塞！！！

02.众多领域的关键角色

目前氮化铝基板在功率半导体器件、混合集成功率电路、通信行业中的天线、固体继电器、功率LED、多芯片封装（MCM）等领域中的应用需求量日趋增长。其终端市场则面向汽车电子、LED、轨道交通、通讯基站、航空航天和军事国防等。

1、天线

天线能把在传输线上传播的导行波转变为在自由空间中传播的电磁波，或将电磁波转换成导行波，其本质是一种变换器。天线有着较为广泛的用途，需要在任何环境中都能正常工作，因此其元器件都需要较高的极其可靠的质量。普通电路板是无法满足天线的这一基本要求的，现阶段与天线各方面要求最为接近的就是陶瓷基电路板，其中以AlN陶瓷基电路板性能最优，其主要体现在：（1）较小的介电常数、使得高频损耗得到降低、信号能够得到完整的传输。（2）低电阻和附着力好的金属膜层。金属层导电性好，电流通过时发热量少。（3）陶瓷基绝缘性好。天线在使用中会产生高压电，陶瓷基板的耐击穿电压较高。（4）可进行高密度封装。

氮化铝陶瓷基板，来源：艾森达

2、多芯片模块（MCM）

多芯片模块是一种高性能、高可靠和小型化的能够满足航空航天，军事电子设备等严格要求的先进微电子元器件。随着元器件功率的增大，封装密度的提高，良好的散热是首要考虑的关键技术。MCM-C型的封装基板材料通常采用多层陶瓷结构，将AlN陶瓷以其高的热导率应用于MCM技术中，能够大大减少微电子元器件内部的热量，提高工作的稳定性。

MCM用AlN陶瓷基板

3、高温半导体封装

SiC、GaN及金刚石基宽禁带半导体材料器件可以在高温下工作，尤其是SiC的应用技术最为成熟；SiC以其优异的理化特性可以使其在600℃的高温环境下稳定工作，在航空航天领域高温电子系统有着极其重要的地位。现阶段的高温电子封装基板主要用Al2O3和AlN陶瓷封装基板，其中AlN陶瓷比Al2O3陶瓷高几倍的热导率和与SiC相匹配的热膨胀系数，使其成为高温电子封装的优选材料。

4、功率半导体模块

功率半导体模块是功率电子元器件按照一定模式、功能组合再封装成一体的组合体。功率半导体模块可依据所需功能来选择合适的元器件进行封装，常见的主要有绝缘栅双极型晶体管、功率金属氧化物半导体场效应晶体管及功率集成电路等。功率半导体模块都有着非常高的散热需求，陶瓷电路板作为其主要的核心组件之一同时又是热量的第一接触点，因此高热导率的AlN陶瓷基板无疑是较为理想的选择，如用于汽车电子IGBT模块。

5、功率LED封装

LED是一种将电转化成光的半导体芯片，科学研究表明只有20%-30%的电能有效的转化为光能，其余全部以热量的方式散失，假如没有合适的方式使热量迅速散失，将会导致灯具的工作温度急剧升高，从而造成LED的寿命显著缩短。陶瓷电路板的应运而生，使得LED灯这一散热问题得到了有效的解决，尤其是AlN陶瓷基板的应用。在LED的封装中，其生成的热量迅速传递到高热导率的AlN陶瓷基板，达到快速散热的目的，能有效减少器件损坏，更好的维持寿命。

小结

相较于氧化铝陶瓷基板，受制于生产工艺要求高、价格偏高等因素的影响，现阶段我国氮化铝陶瓷基板应用范围相对较窄，主要应用于高端电子领域。但随着电子信息产业技术不断升级，PCB基板小型化、功能集成化成为趋势，市场对散热基板与封装材料的散热性与耐高温性要求不断提升，性能相对普通的基板材料难以满足市场需求，氮化铝陶瓷基板行业发展迎来机遇。因此，氮化铝成为了当下最受关注的封装基板材料。

参考来源：

[1]程浩等.电子封装陶瓷基板

[2]陈科成.功率电子器件封装用氮化铝陶瓷基板覆铜的研究

[3]粉体网

[4]粉体大数据研究