功率電子器件即功率半導體器件（power electronic device），通常是指用于控制大功率電路的電子器件（數(shù)十至數(shù)千安培的電流，數(shù)百伏以上的電壓）以及轉(zhuǎn)換電力設(shè)備間電能的器件。功率半導體器件的大規(guī)模集成化、大功率小型化、高效率低損耗、超高頻的發(fā)展而引發(fā)的電路發(fā)熱也迅速提高，電子封裝對基板材料的要求有：熱導率高、介電常數(shù)低、與芯片材料的熱膨脹系數(shù)相匹配、力學強度優(yōu)良、加工性能好、成本低、耐熱沖擊和冷熱循環(huán)等。

作為功率半導體器件第三次技術(shù)革命的代表性產(chǎn)品，IGBT模塊典型封裝結(jié)構(gòu)如圖所示，可以看出芯片產(chǎn)生的熱量主要通過基板和散熱器傳遞出去，因此基板所采用的材料需要導熱性能優(yōu)良、耐熱沖擊，同時介電常數(shù)要低，避免產(chǎn)生雜散電感，減少能源損耗。為實現(xiàn)機械固定，基板材料還需要具有一定的強度。

圖IGBT功率模塊封裝典型結(jié)構(gòu)

由于陶瓷材料具有強度高、絕緣性好、導熱和耐熱性能優(yōu)良、熱膨脹系數(shù)小、化學穩(wěn)定性好等優(yōu)點，非常適合作為功率半導體器件封裝用基板材料。市面上常見的功率半導體器件封裝陶瓷基板大多采用直接覆銅（direct bonding copper，DBC）和活性金屬釬焊（active metal brazing，AMB）技術(shù)，此外還有直接敷鋁技術(shù)（Direct Bonded Aluminum，DBA），將不同的金屬材料（Cu、Al）與陶瓷材料互連，作為功率器件封裝用基板；目前市場上所用的陶瓷基板材料主要有氧化鋁（Al2O3）陶瓷基板、氮化鋁（AlN）陶瓷基板和氮化硅（Si3N4）陶瓷基板三種。

表三種陶瓷基板材料的性能對比

1、氧化鋁Al2O3

氧化鋁（Al2O3）具有高導熱性、高機械強度和良好的電氣性能、化學穩(wěn)定性好，與金屬附著性良好，并且價格低廉產(chǎn)量大，是陶瓷基板材料中使用量最多、應(yīng)用最成熟的材料。

但氧化鋁熱導率相對較低，芯片工作時產(chǎn)生的熱量沒法及時散出；氧化鋁的斷裂韌性較低，抗沖擊能力差；熱膨脹系數(shù)相對較高，與硅的適配性較差，在一定溫度下的反復循環(huán)中電子器件內(nèi)部容易累計應(yīng)力，從而造成芯片的失效概率大大升高，降低了器件的可靠性，不能滿足更大功率密度電子器件的使用要求，從而限制了其更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。

業(yè)內(nèi)在氧化鋁陶瓷成分的基礎(chǔ)上做一些改性，如摻雜氧化鋯，即氧化鋯增韌氧化鋁（ZTA，Zirconia Toughened Alumina）陶瓷，使其既具有優(yōu)良的導熱性能，又有較高的機械強度，主要用于長壽命和高可靠性的應(yīng)用。前面的文章我們?yōu)榇蠹易鲞^介紹，可以點擊查看：氧化鋯增韌氧化鋁（ZTA）基板的特點及應(yīng)用

國內(nèi)氧化鋁基板相關(guān)廠家有潮州三環(huán)、成都旭瓷、江西創(chuàng)科、奧諾新材料、六方鈺成、鄭州中瓷、粵科京華等。

2、氮化鋁AlN

早在20世紀80年代日本已經(jīng)成功生產(chǎn)出熱導率高達260W/(m·K)的AlN陶瓷基片，在次年就開始推廣和應(yīng)用。AlN陶瓷具有優(yōu)良的熱導率、電絕緣性能和介電性能，與Si、SiC、GaN 等半導體芯片的熱膨脹系數(shù)相近，被認為是新一代理想的功率電子器件封裝基板材料。

AlN 陶瓷熱導率高，其理論熱導率可以達到 319 W/(m·K)，市場上可獲得的 AlN 陶瓷由于其中雜質(zhì)和第二相的存在，導致熱導率下降，一般為100~260W/m·K。國內(nèi)外研究人員針對提高AlN 陶瓷熱導率方面有諸多研究，如添加 Y2O3或者Y2O3-LaF3 ，使用新型粘結(jié)劑，改善燒結(jié)工藝等。

此外，AlN 陶瓷基板存在機械性能較差，如斷裂韌性，抗彎強度較低及熱震性較差。日本U-MAP開發(fā)了一種纖維狀的氮化鋁單結(jié)晶Thermalnite，通過在原材料氮化鋁粉末中添加Thermalnite，改變陶瓷基板內(nèi)部的柱狀組織，提升氮化鋁基板的機械性能。

國內(nèi)相關(guān)廠家有華清、艾森達、成都旭瓷、潮州三環(huán)、臻璟新材、山東國瓷、無錫海古德、江西創(chuàng)科、浙江正天、六方鈺成、九豪、中瓷電子等。

3、氮化硅Si3N4

氮化硅綜合性能優(yōu)異，具有導熱性高、介電強度高以及與Si、SiC、GaN等的熱膨脹系數(shù)相匹配等特點，其理論熱導率高達200~300W/(m·K)，但氮化硅基板實際熱導率遠遠低于理論熱導率的值，目前Si3N4陶瓷商用的熱導率達到90W/(m·K)，相對于AlN的熱導率低，但遠大于Al2O3的熱導率，同時機械強度高，斷裂韌性好，高溫可靠性更好、抗熱震性優(yōu)異，是國內(nèi)外公認兼具高導熱、高可靠性等綜合性能最好的陶瓷基板材料，適用于IGBT、SiC等對大功率半導體器件等要求高可靠性的絕緣電路板用途。

氮化硅陶瓷熱導率還有待進一步提高。氮化硅陶瓷所含的氧雜質(zhì)是影響其熱導率的主要因素之一。氮化硅的氧雜質(zhì)一旦固溶到晶粒內(nèi)成為晶格氧就會引起晶格缺陷的產(chǎn)生，晶格缺陷又引起聲子散射，從而導致熱導率降低。如何降低氮化硅陶瓷的晶格氧含量，是提高的氮化硅陶瓷的熱導率的有效方法。

國內(nèi)氮化硅基板相關(guān)廠家有艾森達、成都旭瓷、江西創(chuàng)科、浙江正天、河北高富、中材高新、蘇州博勝、宜興紅星電子、福建臻璟、海古德、威海圓環(huán)、新疆晶碩等。

功率半導體器件上陶瓷材料的選擇需要根據(jù)應(yīng)用的需求從陶瓷的熱導率、熱膨脹系數(shù)、電絕緣性能、機械強度、成本等進行綜合考慮，合適的就是最好的。

審核編輯：湯梓紅