近年来，电动汽车、电力机车以及半导体照明、航空航天、卫星通信等进入高速发展阶段，其电子器件工作电流大、温度高、频率高，为满足器件及电路工作的稳定性，对芯片载体提出了更高的要求。陶瓷基板具有优异的热性能、微波性能、力学性能以及可靠性高等优点，可广泛应用于这些领域。

1、陶瓷基板及其分类

陶瓷基板是指铜箔在高温下直接键合到陶瓷基片表面（单面或双面）上的特殊工艺板。所制成的超薄复合基板具有优良电绝缘性能，高导热特性，优异的软钎焊性和高的附着强度，并可像PCB板一样能刻蚀出各种图形，具有很大的载流能力。因此，陶瓷基板已成为大功率电力电子电路结构技术和互连技术的基础材料。近年来，电子器件工作电流大、温度高、频率高，为满足器件及电路工作的稳定性，对芯片载体提出了更高的要求，这就使得陶瓷基板不仅要具有良好的力学性能，还要有较高的导热率。

目前，陶瓷基板按照所用的材料主要分为5种：氧化铝(Al2O3)陶瓷基板、氮化铝(AlN)陶瓷基板、氧化铍(BeO)陶瓷基板、碳化硅(SiC)陶瓷基板、氮化硅(Si3N4)陶瓷基板。

1.1氧化铝陶瓷基板

氧化铝是应用最为广泛的陶瓷基板材料，其有较为完整的工艺体系，材料本身的力学性能和介电性能良好，制成的基板具有形状稳定、强度高、绝缘性好、结合力强、防腐蚀、有较好的热循环性能、可靠性高，与硅的热膨胀系数相近等优点。不足之处在于氧化铝本身热导率相较于其他材料要低很多，从而限制了它的发展。

1.2氮化铝陶瓷基板

氮化铝具有热导率高、介电常数低、电阻率高、无毒、与硅热膨胀系数相匹配以及化学稳定性和耐腐蚀性能好等优点。氮化铝陶瓷基板同样具有高导热、低膨胀系数、耐高温、高电阻、耐化学腐蚀、介电损耗小等特点，是理想的大规模集成电路散热基板和封装材料。不过，虽然氮化铝晶体理论热导率为惊人的W/m·K，但力学性能欠佳，使其难以成为结构基板的材料。

1.3氧化铍陶瓷基板

氧化铍具有很高的导热性、良好的抗热震性、优异的介电性能。但是它最大缺点是粉末有剧毒性，使接触伤口难于愈合。并且氧化铍在含有水气的高温介质中，挥发性会提高，℃开始挥发，并随温度升高挥发量增大，这就给生产带来困难，不少国家已经限制使用。

1.4碳化硅陶瓷基板

碳化硅陶瓷具有高强度、高硬度、高导热、耐腐蚀、耐磨损等优异性能，随着集成电路、热交换器等行业的迅猛发展，以及近年来对半导体制造设备元器件高热导率、优异抗热震性和耐腐蚀性综合性能要求的提高，高导热碳化硅陶瓷的需求量急剧增长。

在高压应用领域，使用碳化硅陶瓷基板的半导体碳化硅功率器件，功耗降低效果明显，设备的发热量大幅减少，同时可减少最高92%的开关损耗，还能让设备的冷却机构进一步简化，设备体积小型化，大大减少散热用金属材料的消耗。同时，大功率LED方面采用碳化硅陶瓷基板的LED期间亮度更高、能耗更低，使用周期更长、单位芯片面积更小。在新能源汽车领域，碳化硅陶基板小型化的特点可大幅削减新能源汽车的电力损失，使其在各种恶劣的环境下仍能正常工作。不过碳化硅介电常数很大，因此只适用于低频的应用。

1.5氮化硅陶瓷基板

与其他陶瓷基板材料相比，氮化硅具有一系列独特的优势。Si3N4属于六方晶系，有α、β和γ三种晶相，其中α-Si3N4单晶体沿a轴和c轴的理论热导率分别为W/m·K、W/m·K;β-Si3N4单晶体沿a轴和c轴方向的理论热导率分别是W/m·K、W/m·K。同时氮化硅具有高强度、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，是一种理想的散热、封装和基板材料。制成的陶瓷基板具有非常好的理化性能、电气性能和机械性能；具有高导热系数，高电流载荷，容易满足第三代功率半导体器件的散热需求；并且热膨胀系数与大多数半导体材料匹配，因而使其器件的可靠性更优异。

2、陶瓷的导热机理

固体材料的导热途径包括自由电子热传递和晶格振动热传递。其中，晶格振动是一种非简谐振动，根据量子理论的描述，晶格振动能量是量子化的，我们把它称为声子。声子通过在晶格振动过程中相互制约和协调振动实现热传递。理想晶体是一种非弹性体，热阻的主要来源是声子-声子之间的碰撞，而不会受到结构基元的影响。而实际晶体是一种弹性体，且存在各种缺陷、杂质和晶界相等干扰和散射声子传播，导致材料热导率降低。

晶体导热性能与其组成和结构有密切关系。对于陶瓷材料而言，高导热陶瓷材料一般具有以下特点：(1)强共价键结构。强共价键保证了键的方向性和高的键强，保证了晶体的热起伏处于较低水平；(2)较低的原子量和简单的晶体结构。由于较大的原子质量和复杂的晶体结构会造成对格波的扰动和散射，降低材料的热导率；(3)较低的非简谐振动。在二元化合物中两种原子质量越接近，晶格振动的非简谐性越小，声子散射小，热导率越高。

以上对高热导率陶瓷材料的共有特点可以得出，由低原子量构成的强共价键二元化合物或单质可能具有高的热导率，这也验证了陶瓷材料BeO、AlN、SiC、Si3N4等具有高热导率的原因。

3、提高陶瓷热导率的措施

以Si3N4陶瓷为例，介绍一下陶瓷热导率提升的主要措施。

3.1选择合适的烧结助剂

烧结助剂在陶瓷烧结过程中起着极为重要的作用，不仅可以降低烧结温度，促进陶瓷晶粒生长还可以净化陶瓷晶格，进而减小声子在传播中的阻碍，达到提高热导率的目的。

常用的烧结助剂可分为氧化物和无氧化物两大类，其中氧化物包括有普通氧化物（如MgO），稀土氧化物（如Yb2O3、La2O3）；无氧化物有氮化物（如MgSiN2）,氟化物（如MgF2）,氢化物（如YH3）等。

有研究表明，采用氧化物烧结助剂所需的烧结温度要低于采用无氧化物烧结助剂，但是对于热导率的提升程度不如无氧化物烧结助剂。这是因为氧化物烧结助剂引入了氧原子，使得陶瓷中晶格氧缺陷增加，阻碍了声子的传播。

为了协调烧结温度和更好地提升热导率，有学者使用氧化物+无氧化物的复合烧结助剂体系，取得了不错的效果。李聪等人以MgSiN2和Y2O3为复合烧结助剂，通过气压烧结法在氮气压力1.0MPa、℃和保温3h条件下制备出Si3N4陶瓷。得出结果：当MgSiN2和Y2O3复合烧结助剂总含量不变时，随着Y2O3含量的增加，β-Si3N4棒状晶的发育更为充分且异常长大情况明显减少。当MgSiN2:Y2O3的摩尔比为5:2、烧结助剂总添加量为10.5%(摩尔分数)时，制备的Si3N4陶瓷综合性能最优，其抗弯强度为MPa、热导率为67.01W/m·K。

3.2优化烧结工艺

陶瓷的烧结工艺有常压烧结、气压烧结、热压烧结、热等静压烧结、放电等离子烧结等。起初，陶瓷的烧结过程大多为单一烧结方法的一次烧结，随着对于烧结方式的深入研究，学者发现多种烧结方式相结合，或对陶瓷进行多阶烧结得到的结果更好。

王月隆等人以高纯α相氮化硅为原料，氧化钇为烧结助剂，采用放电等离子烧结制备氮化硅陶瓷。研究烧结温度对陶瓷导热性能和力学性能的影响，以及经过后续常压热处理的性能变化。结果表明，放电等离子烧结（~0℃）可制备致密度大于99%的氮化硅陶瓷，其中，在0℃烧结制备的氮化硅陶瓷具有较好的综合性能。经过℃常压热处理后，晶粒尺寸进一步增大，液相由非晶态转化为结晶态，所有样品的第二相组成均为Y5Si3O12N。陶瓷抗弯强度由提高至MPa，热导率由43.6提高至61.1W/m·K,热导率提高了40%左右。

李勇霞在用SPS制备Si3N4过程中发现，多阶SPS烧结对提高β-Si3N4晶粒尺寸作用明显，其主要原因为溶解-再沉淀过程的延长使得α→β相变完全，促进了β-Si3N4晶粒的各向异性生长。经二阶SPS烧结与多阶SPS烧结制备的Si3N4试样，其热导率分别达到了83.95W/m·K与92.55W/m·K。

3.3控制晶粒有序生长

棒状的β-Si3N4呈各向异性生长，这也导致了其物理性质的各向异性，Si3N4单晶体沿a轴和c轴的理论热导率分别为W/m·K、W/m·K，因此在成型工艺中采取合适的方法可以实现氮化硅晶粒的定向排列，促进晶粒定向生长。目前能使晶粒定向生长的成型方法有流延成型、热压成型、注浆成型等。在氮化硅烧结过程中施加一个强磁场也可以实现晶粒定向生长，不过这种办法还只能在实验室施行，要用于商业化还需要时间。

编辑：赵家存

排版：郝亚龙

审核：张光磊

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