从智能手机等个人用品到智慧城市等社会设施，半导体产业对人类生活有着深远的影响。为了更好地利用其优势为人类赢取更丰富的可能性，世界各国都投入了大量的精力对半导体材料进行研究，尤其是目前正火的第三代半导体。

第三代半导体中主要包括氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化锌（ZnO）等，它们在电子迁移率、饱和漂移速率、禁带宽度三项指标上均有优异的表现，这就意味着用第三代半导体制成的器件可以耐高压、耐高温，并且功率大、抗辐射、导电性能强、工作速度快、工作损耗低，在光电子、电力电子和无线射频领域都有很大的应用优势。

不过这里有个问题，假若功率半导体器件要同时具备高电压、大电流、大功率密度、小尺寸等特点，就意味着它产生的热量将会十分可观。因此，高效的散热系统是必不可少的，这就要求其功率集成电路中的基板材料必须要同时具有良好的机械可靠性以及较高的热导率。在可选用的基板中，陶瓷基板在散热上相比其他衬底材料来说更具优势，因此被广泛认可是电子行业的未来趋势。

哪种陶瓷基板好用？

虽然陶瓷基板是普遍要比其他衬底材料具备更高的热导率，但具体哪种陶瓷材料更有优势，那还得具体分析分析。目前可供选择的有氧化铝、氧化铍、氮化铝、氮化硅等，除了氧化铍因具有剧毒且生产成本较高一般不投入实用外，其他三者在性能、工艺、成本等方面各有优势及不足，具体如下：

1.氧化铝

  Al₂O₃是目前应用最为广泛的陶瓷之一，也是最为成熟的陶瓷基板材料，因其机械强度大、绝缘、耐高温、稳定性好、高性价比以及对热冲击作用的良好抵抗性、与金属之间能形成密封的钎焊等优势，而且制造和加工工艺都很成熟，是电子陶瓷基板的优良原料，目前被广泛应用于厚膜电路、薄膜电路、混合电路、多芯片组件以及大功率IGBT模块等领域。

氧化铝基板（来源：凱樂士股份有限公司）

随着电子产业的迅猛发展，氧化铝陶瓷基板的需求量也在逐年增加。不过氧化铝陶瓷虽然可以满足基板的刚性承载需求及耐环境侵蚀的功能，但其理论热导率与实际热导率都偏低，因此为了更好地满足电子产业发展的要求，提高基板产品质量，就必须要重视原料Al₂O₃粉体的品质以及性能指标。

通过长期的研究和生产应用，Al₂O₃的纯度、α-相含量、结晶形貌、粒度分布等指标对基板产品质量影响较大。因此一般要求：

①Na₂O含量低于0.1%，Fe及Fe₂O、H₂O含量尽可能低；

②结晶形貌以球形为好；

③原料氧化铝的 α-相转化率应控制适宜，且保持稳定；

④氧化铝应经过充分研磨，减少团聚颗粒。

2.氮化铝

AlN最为人称道的就是其可观的热导率（比氧化铝基板差不多高10倍）以及非常优良的绝缘性，因此以它为原料制成的基板具有高的导热性、好的尺寸稳定性、宽的操作温度（工作温度范围和耐高温方面）和优良的绝缘性能，在大功率电子半导体模块、电子加热器、半导体功率混合电路和半导体导（散）器件等领域都有着广阔的发展前景。

氮化铝基板（来源：MARUWA CO., LTD）

为了最大程度发挥AlN在导热上的优势，一般会对用于陶瓷基板的AlN粉体原料提出以下要求：

①铝空位会散射声子，因此氧元素的含量需严格控制，通常要小于1 wt%；
②为了避免晶格缺陷，Fe、Mg、Ca等金属杂质的总含量需不超过500 ppm，非金属杂质，包含Si、C等的总含量应低于0.1wt%。

③为了更高的致密度，AlN粉末的D50尺寸尽可能的保持在1~1.5 um左右且粒度均匀；

但是氮化铝陶瓷也有美中不足之处，它在常温下硬度极高且其脆性大，属于高强度的硬脆材料。根据资料显示，AlN陶瓷的弯曲强度为300~400 MPa，断裂韧性为3~4 MPa·m^1/2，导致氮化铝基板的使用寿命较短，使得它作为结构基板材料使用受到了限制。为了改善这一点，就要针对氮化铝陶瓷进行加工制程，以符合不同产品应用的规格要求。不过比起一般氧化铝陶瓷来说，氮化铝的加工难度确实要提升不少。

3.氮化硅

Si₃N₄是一种综合性能极其优秀的特种陶瓷，本身的力学性能十分突出，具有高强度、高硬度、高电阻率、良好的抗热震性、低介电损耗和低膨胀系数等特点。至于热学性能，Lightfoot和Haggerty曾根据Si₃N₄结构提出氮化硅的理论热导率在200~300 W/(m·K)，因此按理来说Si₃N₄确实有潜力成为一种理想的散热和封装材料。

氮化硅基片（图片来源：StellarIndustries Corp）

但事实上与前两者相比，氮化硅陶瓷在大功率半导体器件领域的应用要少许多，这主要是因为它比较“难搞”，很难同时满足热导率及力学性能要求。目前氮化硅陶瓷实际热导率远远低于理论热导率的值，商业化的氮化硅基板热导率差不多在85-95W/m•K之间，而一些高热导率氮化硅陶瓷(＞150 W/(m·K))还处于实验室阶段。

影响氮化硅陶瓷热导率的因素有晶格氧、晶相、晶界相等，其中氧原子因为在晶格中会发生固溶反应生成硅空位和造成晶格畸变，从而引起声子散射，降低氮化硅陶瓷热导率而成为主要因素。不过随着制备工艺的不断优化，氮化硅陶瓷实际热导率也在不断提高。为了降低晶格氧含量，可采取的措施有以下：

①在原料的选择上降低氧含量：可选用含氧量比较少的Si粉作为起始原料或高纯度的α-Si₃N₄或者β-Si₃N₄来减少氧含量；

②选用适当的烧结助剂来减少氧含量：目前使用较多的烧结助剂是Y₂O₃-MgO，但是仍不可避免地引入了氧杂质，因此可以选用非氧化物烧结助剂来替换氧化物烧结助剂，如YF₃-MgO、MgF₂-Y₂O₃等。

陶瓷基板该选用什么制造工艺？

陶瓷板常见的成型技术主要有注射成型、干压成型和流延成型等。其中，注射成型效率高，但做大尺寸薄板比较困难；干压成型产品密度高、基板平整度容易保证，但生产效率低、成本高，制备超薄基板比较困难。

而流延成型因其具有众多优点被广泛用于生产氧化铝陶瓷基板，它是指在陶瓷粉料中加入溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂等物质，从而使浆料分布均匀，然后在流延机上制成不同规格陶瓷片的制造工艺，也被称为刮刀成型法。该工艺最早出现于上世纪40年代后期，被用于生产陶瓷片层电容器，该工艺的优点在于：

①设备操作简单，生产高效，能够进行连续操作且自动化水平较高；

②胚体密度及膜片弹性较大；

③工艺成熟；

④生产规格可控且范围较广

但由于流延法坯体致密度较低，烧结时容易变形，制备大尺寸基板优等品率低，因而提高导热性、控制良品率是其面临的主要问题。

结语

总的来说，虽然陶瓷基板的制造工艺相对固定，但通过选用不同的原料，它们在性能上的表现就会截然不同，继而影响下游应用领域的选择。

不过这不代表永远，常年从事半导体产业的人们一致认为：“将半导体比作人类的话，现在还是正在成长的孩子，今后应该会持续成长100年、200年”。也就是说，随着半导体产业及材料科学的发展，未来流行的陶瓷基板无论是材料还是工艺都有可能发生变化，具体如何就让我们拭目以待吧！

资料来源：

氧化铝粉体性能对流延法生产陶瓷基板的影响，李建忠，张勇，徐大余。

高导热氮化硅陶瓷基板研究现状，廖圣俊，周立娟 ，尹凯俐，王建军，姜常玺。

适合于导热基板用AIN粉体的制备与表征，马丁。

粉体圈 NANA