從智能手機等個人用品到智慧城市等社會設施，半導體產業對人類生活有著深遠的影響。為了更好地利用其優勢為人類贏取更豐富的可能性，世界各國都投入了大量的精力對半導體材料進行研究，尤其是目前正火的第三代半導體。

第三代半導體中主要包括氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化鋅（ZnO）等，它們在電子遷移率、飽和漂移速率、禁帶寬度三項指標上均有優異的表現，這就意味著用第三代半導體制成的器件可以耐高壓、耐高溫，并且功率大、抗輻射、導電性能強、工作速度快、工作損耗低，在光電子、電力電子和無線射頻領域都有很大的應用優勢。

不過這里有個問題，假若功率半導體器件要同時具備高電壓、大電流、大功率密度、小尺寸等特點，就意味著它產生的熱量將會十分可觀。因此，高效的散熱系統是必不可少的，這就要求其功率集成電路中的基板材料必須要同時具有良好的機械可靠性以及較高的熱導率。在可選用的基板中，陶瓷基板在散熱上相比其他襯底材料來說更具優勢，因此被廣泛認可是電子行業的未來趨勢。

哪種陶瓷基板好用？

雖然陶瓷基板是普遍要比其他襯底材料具備更高的熱導率，但具體哪種陶瓷材料更有優勢，那還得具體分析分析。目前可供選擇的有氧化鋁、氧化鈹、氮化鋁、氮化硅等，除了氧化鈹因具有劇毒且生產成本較高一般不投入實用外，其他三者在性能、工藝、成本等方面各有優勢及不足，具體如下：

1.氧化鋁

  Al₂O₃是目前應用最為廣泛的陶瓷之一，也是最為成熟的陶瓷基板材料，因其機械強度大、絕緣、耐高溫、穩定性好、高性價比以及對熱沖擊作用的良好抵抗性、與金屬之間能形成密封的釬焊等優勢，而且制造和加工工藝都很成熟，是電子陶瓷基板的優良原料，目前被廣泛應用于厚膜電路、薄膜電路、混合電路、多芯片組件以及大功率IGBT模塊等領域。

氧化鋁基板（來源：凱樂士股份有限公司）

隨著電子產業的迅猛發展，氧化鋁陶瓷基板的需求量也在逐年增加。不過氧化鋁陶瓷雖然可以滿足基板的剛性承載需求及耐環境侵蝕的功能，但其理論熱導率與實際熱導率都偏低，因此為了更好地滿足電子產業發展的要求，提高基板產品質量，就必須要重視原料Al₂O₃粉體的品質以及性能指標。

通過長期的研究和生產應用，Al₂O₃的純度、α-相含量、結晶形貌、粒度分布等指標對基板產品質量影響較大。因此一般要求：

①Na₂O含量低于0.1%，Fe及Fe₂O、H₂O含量盡可能低；

②結晶形貌以球形為好；

③原料氧化鋁的 α-相轉化率應控制適宜，且保持穩定；

④氧化鋁應經過充分研磨，減少團聚顆粒。

2.氮化鋁

AlN最為人稱道的就是其可觀的熱導率（比氧化鋁基板差不多高10倍）以及非常優良的絕緣性，因此以它為原料制成的基板具有高的導熱性、好的尺寸穩定性、寬的操作溫度（工作溫度范圍和耐高溫方面）和優良的絕緣性能，在大功率電子半導體模塊、電子加熱器、半導體功率混合電路和半導體導（散）器件等領域都有著廣闊的發展前景。

氮化鋁基板（來源：MARUWA CO., LTD）

為了最大程度發揮AlN在導熱上的優勢，一般會對用于陶瓷基板的AlN粉體原料提出以下要求：

①鋁空位會散射聲子，因此氧元素的含量需嚴格控制，通常要小于1 wt%；
②為了避免晶格缺陷，Fe、Mg、Ca等金屬雜質的總含量需不超過500 ppm，非金屬雜質，包含Si、C等的總含量應低于0.1wt%。

③為了更高的致密度，AlN粉末的D50尺寸盡可能的保持在1~1.5 um左右且粒度均勻；

但是氮化鋁陶瓷也有美中不足之處，它在常溫下硬度極高且其脆性大，屬于高強度的硬脆材料。根據資料顯示，AlN陶瓷的彎曲強度為300~400 MPa，斷裂韌性為3~4 MPa·m^1/2，導致氮化鋁基板的使用壽命較短，使得它作為結構基板材料使用受到了限制。為了改善這一點，就要針對氮化鋁陶瓷進行加工制程，以符合不同產品應用的規格要求。不過比起一般氧化鋁陶瓷來說，氮化鋁的加工難度確實要提升不少。

3.氮化硅

Si₃N₄是一種綜合性能極其優秀的特種陶瓷，本身的力學性能十分突出，具有高強度、高硬度、高電阻率、良好的抗熱震性、低介電損耗和低膨脹系數等特點。至于熱學性能，Lightfoot和Haggerty曾根據Si₃N₄結構提出氮化硅的理論熱導率在200~300 W/(m·K)，因此按理來說Si₃N₄確實有潛力成為一種理想的散熱和封裝材料。

氮化硅基片（圖片來源：StellarIndustries Corp）

但事實上與前兩者相比，氮化硅陶瓷在大功率半導體器件領域的應用要少許多，這主要是因為它比較“難搞”，很難同時滿足熱導率及力學性能要求。目前氮化硅陶瓷實際熱導率遠遠低于理論熱導率的值，商業化的氮化硅基板熱導率差不多在85-95W/m?K之間，而一些高熱導率氮化硅陶瓷(＞150 W/(m·K))還處于實驗室階段。

影響氮化硅陶瓷熱導率的因素有晶格氧、晶相、晶界相等，其中氧原子因為在晶格中會發生固溶反應生成硅空位和造成晶格畸變，從而引起聲子散射，降低氮化硅陶瓷熱導率而成為主要因素。不過隨著制備工藝的不斷優化，氮化硅陶瓷實際熱導率也在不斷提高。為了降低晶格氧含量，可采取的措施有以下：

①在原料的選擇上降低氧含量：可選用含氧量比較少的Si粉作為起始原料或高純度的α-Si₃N₄或者β-Si₃N₄來減少氧含量；

②選用適當的燒結助劑來減少氧含量：目前使用較多的燒結助劑是Y₂O₃-MgO，但是仍不可避免地引入了氧雜質，因此可以選用非氧化物燒結助劑來替換氧化物燒結助劑，如YF₃-MgO、MgF₂-Y₂O₃等。

陶瓷基板該選用什么制造工藝？

陶瓷板常見的成型技術主要有注射成型、干壓成型和流延成型等。其中，注射成型效率高，但做大尺寸薄板比較困難；干壓成型產品密度高、基板平整度容易保證，但生產效率低、成本高，制備超薄基板比較困難。

而流延成型因其具有眾多優點被廣泛用于生產氧化鋁陶瓷基板，它是指在陶瓷粉料中加入溶劑、分散劑、粘結劑、增塑劑等物質，從而使漿料分布均勻，然后在流延機上制成不同規格陶瓷片的制造工藝，也被稱為刮刀成型法。該工藝最早出現于上世紀40年代后期，被用于生產陶瓷片層電容器，該工藝的優點在于：

①設備操作簡單，生產高效，能夠進行連續操作且自動化水平較高；

②胚體密度及膜片彈性較大；

③工藝成熟；

④生產規格可控且范圍較廣

但由于流延法坯體致密度較低，燒結時容易變形，制備大尺寸基板優等品率低，因而提高導熱性、控制良品率是其面臨的主要問題。

結語

總的來說，雖然陶瓷基板的制造工藝相對固定，但通過選用不同的原料，它們在性能上的表現就會截然不同，繼而影響下游應用領域的選擇。

不過這不代表永遠，常年從事半導體產業的人們一致認為：“將半導體比作人類的話，現在還是正在成長的孩子，今后應該會持續成長100年、200年”。也就是說，隨著半導體產業及材料科學的發展，未來流行的陶瓷基板無論是材料還是工藝都有可能發生變化，具體如何就讓我們拭目以待吧！

資料來源：

氧化鋁粉體性能對流延法生產陶瓷基板的影響，李建忠，張勇，徐大余。

高導熱氮化硅陶瓷基板研究現狀，廖圣俊，周立娟 ，尹凱俐，王建軍，姜常璽。

適合于導熱基板用AIN粉體的制備與表征，馬丁。

粉體圈 NANA