半導體器件在風力發電、太陽能光伏發電、電動汽車、LED照明等行業占據日益重要的地位，半導體器件也沿著大功率化、高頻化、集成化的方向迅猛發展。

半導體器件工作產生的損耗大部分均變成熱量，而熱是引起半導體器件失效的關鍵因素，熱失效比例高達55%。半導體封裝內的芯片、金屬鍍層等都具有良好的散熱性，因此絕緣基片的導熱性是影響整體半導體器件散熱的關鍵。此外，半導體器件使用過程中可能伴隨著顛簸、震動等復雜的力學環境，這也對所用的基片材料的力學性能提出了很高要求。

青海格爾木光伏電站二期100兆瓦工程鳥瞰圖

一、常見陶瓷基片材料

目前常用的基片材料主要包括：陶瓷基片、樹脂基片、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、化學性質穩定、熱導率高、高頻特性好等優點而最受矚目。歐美、日本的陶瓷基片的市場規模可達數十億美元，國內需求也十分巨大，以氧化鋁陶瓷基片為例，目前我國的需求量每年超過106m²，但大多依賴進口。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(AlN)等。

1、氧化鈹陶瓷基片材料

氧化鈹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250 W/(m·K)以上，甚至可與金屬材料媲美。可用于高性能、高頻率、大功率電子器件。制備高性能BeO陶瓷一般采用MgO- Al₂O₃- SiO₂系燒結助劑，也有研究表明摻雜0.1% (質量比)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。

美國是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Brush Welman公司、Accuratus公司、IJ研究院等。日本的住友、京瓷、NGK等企業也曾生產過BeO陶瓷，其產品的熱性能、機械性能和電性能方面處于國際領先水平。讓人遺憾的是，盡管高純的BeO陶瓷雖然沒有毒，但BeO粉塵有毒，所以在加工BeO制品時必須非常小心，做好防護，避免吸入。長期吸入BeO粉塵卻會引起中毒甚至危及生命，且對環境有一定的污染，這極大影響了BeO陶瓷基片的生產和應用。

2、氧化鋁陶瓷基片材料

氧化鋁陶瓷是目前制造和加工技術最成熟的陶瓷基片材料，其主要成分為α-Al₂O₃。根據Al₂O₃含量的不同又分為75瓷，85瓷，95瓷和99瓷等不同牌號。Al₂O₃。陶瓷具有介電損耗低，機械強度較高，化學穩定性好等優點。雖然Al₂O₃陶瓷是目前最成熟的陶瓷基片材料，但其熱導率較低，如99瓷Al₂O₃。熱導率僅為29W/ (m·K)。此外，Al₂O₃熱膨脹系數與半導體芯片材料Si、SiC等的熱膨脹系數相差較大，在冷熱循環中容易累積內應力，增加了芯片失效概率。因為如上種種因素使得Al₂O₃基片很難適應半導體器件大功率化的發展趨勢。

所幸的是，氧化鋁基片具有超高的性價比，在部分要求不那么高的應用領域也還是保有其重要位置。目前主要應用于主要在中、低功率范圍領域，例如通用電力電子、聚光太陽能、帕爾貼部件（熱電半導體致冷器件）、汽車應用半導體模塊等。

帕爾貼部件用于車載冰箱

3、氮化鋁陶瓷基片材料

AlN陶瓷材料成為少數幾種具有高導熱性能的非金屬材料之一。AlN陶瓷基片熱導率可達150~230W/(m·K)，是Al₂O₃的8倍以上。另外，AlN的熱膨脹系數為(3.8~4.4)×10^-6/℃，與Si、SiC和GaAs等半導體芯片材料熱膨脹系數匹配良好。日本有多家企業研發和生產AlN陶瓷基片，如京陶、日本特殊陶業、住友金屬工業、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，原料的批次穩定性、成本也成為國內高端AlN陶瓷基片材料制造的瓶頸。

高成本是限制AlN陶瓷廣泛應用的重要因素，因此目前AlN陶瓷基片主要應用于高端產業。AlN陶瓷導熱能力優秀，它可調整的熱膨脹系數，接近硅的熱膨脹系數，幾乎不會引起芯片和基板之間焊料層的熱張力。但美中不足的是AIN陶瓷不那么好的力學性能使得其在復雜的力學服役條件下容易發生損壞。

氮化鋁陶瓷用于激光二極管應用的高性能液體散熱器

（圖片來源：羅杰斯官網）

備注：液體散熱器適用于高功率應用，如激光二極管、數據中心、直接冷卻功率模塊、高亮度LED或太陽能電池陣列（CPV），冷卻效率比傳統的液體冷卻模塊結構產生的效率高出4倍以上。氮化鋁層在其中起到的作用是將激光二極管的電路與冷卻水通道絕緣隔離開來。

二、大功率器件它更強：氮化硅陶瓷基片

氮化硅陶瓷具有硬度大、強度高、熱膨脹系數小、高溫蠕變小、抗氧化性能好、熱腐蝕性能好、摩擦系數小等諸多優異性能，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400 w/(m·K)，具有成為高導熱基片的潛力。此外，氮化硅的線膨脹系數與Si、SiC和GaAs等半導體材料匹配良好，這使氮化硅陶瓷成為一種極具有吸引力的高強高導熱電子器件基板材料。氮化硅、氮化鋁及氧化鋁陶瓷的力學性能對比見下表。

三種陶瓷基板材料物理力學性能對比

可靠性測試指的在-40~+150℃條件下循環，材料不發生破壞的次數。

隨著電動力汽車的流行，氮化硅陶瓷基片也將迎來發展機遇

氮化硅陶瓷力學性能與熱學性能與高功率電子基板材料的要求完美貼合。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公司。商用Si₃N₄陶瓷基片的熱導率一般在56~90 w/(m·K)。以日本東芝公司為例，截止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。

參考來源

1、半導體器件用陶瓷基片材料發展現狀，北京中材人工晶體研究院有限公司，張偉儒，鄭或，李正，高崇，童亞琦等著。

2、羅杰斯公司官網。

編輯：粉體圈小白