高功率电子器件散热的关键：氮化铝与氮化硅陶瓷基板

随着电子芯片技术的飞速发展，其综合性能不断提升，尺寸却日益微型化。然而，这一进步也带来了新的挑战——芯片工作时产生的热流密度急剧增加。对于电子器件而言，温度每升高10℃，其有效寿命可能会降低30%到50%。因此，如何通过选择合适的封装材料与工艺来提高器件的散热能力，已经成为制约功率器件发展的关键瓶颈。

以大功率LED封装为例，其输入功率的70%到80%会转化为热量，仅有20%到30%转化为光能。由于LED芯片面积小，功率密度极高（大于100W/cm2），如果不能及时将热量导出并散发，大量热量就会聚集在LED内部，导致芯片结温逐步升高。这不仅会使LED的性能下降，如发光效率降低、波长红移等，还会在器件内部产生热应力，引发一系列可靠性问题。

封装基板的作用是利用自身材料的高热导率，将热量从芯片（热源）导出，实现与外界环境的热交换。目前，常用的封装基板主要分为高分子基板、金属基板和陶瓷基板几类。对于功率器件封装来说，除了基本的布线功能外，封装基板还需要具备较高的导热性、耐热性、绝缘性、强度以及与芯片材料的热匹配性能。因此，高分子基板和金属基板的应用受到了很大限制。

相比之下，陶瓷材料具有高热导率、耐热性好、高绝缘性、高强度以及与芯片材料热匹配等优异性能，非常适合用作功率器件的封装基板。目前，陶瓷基板材料已经在半导体照明、激光与光通信、航空航天、汽车电子、深海钻探等多个领域得到了广泛应用。

目前常用的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。在这些材料中，哪一种最适合用于芯片散热呢？下面由深圳金瑞欣小编来跟大家讲解一下：

氧化铝陶瓷是最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研制出了Al2O3陶瓷，并于1932年发表研究成果，1933年开始工业化生产。它因价格低廉、稳定性好、绝缘性和机械性能优良，且工艺技术成熟，成为目前应用最广泛的陶瓷基板材料。然而，Al2O3陶瓷的热导率较低（20W/(m·K)），且其热膨胀系数与Si不太匹配，这在一定程度上限制了它在大功率电子产品中的应用，主要适用于电路电压较低、集成度不高的封装领域。

BeO陶瓷是一种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，其热导率会随温度波动而发生较大变化，温度升高时热导率会显著下降。此外，BeO粉末具有剧毒，大量吸入会导致急性肺炎，长期吸入还会引发慢性铍肺病。因此，其应用受到极大限制。据了解，日本已经禁止了BeO的生产，欧洲也对BeO相关的电子产品进行了限制。

SiC单晶体具有很高的热导率，纯SiC单晶体在室温下的热导率高达490W/(m·K)。然而，由于晶粒取向的差异，多晶SiC陶瓷的热导率仅为67W/(m·K)。此外，SiC的绝缘程度较低，介电损耗大，高频特性差。因此，多年来对SiC作为电路基片材料的研究较少。

相比之下，氮化铝陶瓷的性能更为优异，尤其是其高热导率的特点。其理论热导率可达320W/(m·K)，商用产品的热导率一般在180W/(m·K)到260W/(m·K)之间，使其能够用于高功率、高引线和大尺寸芯片的封装基板。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，日本就研制出了热导率为95W/(m·K)的透明AlN陶瓷和260W/(m·K)的AlN陶瓷基片，并从1984年开始推广应用。

此外，氮化铝陶瓷还具有较高的机械强度和化学稳定性，能够在恶劣环境下保持正常工作状态。正是因为这些优良性能，氮化铝陶瓷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。

再看看氮化硅陶瓷。1995年以前，Si3N4在室温下的热导率为20到70W/(m·K)，远低于AlN和SiC的热导率，因此其导热性能一直未受重视。然而，1995年，一位名叫Haggerty的科学家通过经典固体传输理论计算发现，Si?N?材料热导率低的主要原因是晶格内存在缺陷和杂质，并预测其理论值最高可达320W/(m·K)。此后，科研人员在提高Si?N?材料热导率方面开展了大量研究。通过工艺优化，氮化硅陶瓷的热导率不断提高，目前已突破177W/(m·K)。

此外，Si3N4陶瓷的最大优点是其热膨胀系数低。在陶瓷材料中，除了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。

综合来看，氮化铝陶瓷基板的最大优势在于其高热导率，以及与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问题方面表现出色。而氮化硅陶瓷则以全面性著称。在现有的可作为基板材料的陶瓷材料中，Si?N?陶瓷的抗弯强度高（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中表现优于其他材料。

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审核编辑 黄宇