目前,电子工业中常用的基板材料分为陶瓷基片、树脂基板和金属基板。其中,陶瓷基片因其良好的绝缘性能、化学稳定性、高导热性、热循环稳定性和接近硅的热膨胀系数而备受关注。
1.氧化铍陶瓷基片
氧化铍陶瓷基片是以BeO为主要成分的陶瓷基片。具有很高的导热性,几乎等同于紫铜和纯铝λ200-250w/m-k,具有良好的抗热震性。其介电常数为6至7(0.1MHz)。介质损耗角正切约为4×10-4(0.1GHz)可用于高性能、高频和大功率电子设备。一些研究表明,掺杂0.1%(质量比)的Tb4O7可以提高BeO陶瓷的热导率,掺杂CeO2和Nd2O3可以提高BeO陶瓷的密度。
2.氧化铝陶瓷基片
氧化铝陶瓷基体由Al2O3粉末组成。目前,陶瓷基片主要使用95瓷和99瓷。Al2O3陶瓷具有低介电损耗、高机械强度和良好的化学稳定性,但热导率仅约为25~30W/m-K。在陶瓷基片行业已经形成了非常成熟的加工技术和工艺。此外,Al2O3的热膨胀系数与半导体芯片材料Si、SiC等大不相同,在冷循环和热循环期间容易累积内应力,增加芯片失效概率。由于上述因素,Al2O3衬底难以适应大功率半导体器件的发展趋势。
氧化铝基材具有超高的性价比,在一些要求不高的应用领域仍保持着重要地位。目前,主要应用于中、低功率领域,如通用电力电子、聚光太阳能、珀耳帖元件(热电半导体制冷装置)、汽车应用半导体模块等。
3.氮化铝陶瓷基片
氮化铝陶瓷基片是以AlN为主要晶相的陶瓷。AlN陶瓷的导热系数为150~230W/m-k,是Al2O3陶瓷的8倍以上。此外,AlN的热膨胀系数为(3.8~4.4)×10-6/℃,与Si、SiC和GaAs等半导体芯片材料的热膨胀率非常匹配。日本有许多开发和生产AlN陶瓷基片的企业,如精陶、日本特种陶瓷、住友金属工业、富士通、东芝和日本电气。AlN粉体是制备AlN陶瓷的核心原料,制备工艺复杂、能耗高、周期长、价格高。