隨著電子芯片技術的飛速發展，其綜合性能不斷提升，尺寸卻日益微型化。然而，這一進步也帶來了新的挑戰——芯片工作時產生的熱流密度急劇增加。對于電子器件而言，溫度每升高10℃，其有效壽命可能會降低30%到50%。因此，如何通過選擇合適的封裝材料與工藝來提高器件的散熱能力，已經成為制約功率器件發展的關鍵瓶頸。

以大功率LED封裝為例，其輸入功率的70%到80%會轉化為熱量，僅有20%到30%轉化為光能。由于LED芯片面積小，功率密度極高（大于100W/cm2），如果不能及時將熱量導出并散發，大量熱量就會聚集在LED內部，導致芯片結溫逐步升高。這不僅會使LED的性能下降，如發光效率降低、波長紅移等，還會在器件內部產生熱應力，引發一系列可靠性問題。

封裝基板的作用是利用自身材料的高熱導率，將熱量從芯片（熱源）導出，實現與外界環境的熱交換。目前，常用的封裝基板主要分為高分子基板、金屬基板和陶瓷基板幾類。對于功率器件封裝來說，除了基本的布線功能外，封裝基板還需要具備較高的導熱性、耐熱性、絕緣性、強度以及與芯片材料的熱匹配性能。因此，高分子基板和金屬基板的應用受到了很大限制。

相比之下，陶瓷材料具有高熱導率、耐熱性好、高絕緣性、高強度以及與芯片材料熱匹配等優異性能，非常適合用作功率器件的封裝基板。目前，陶瓷基板材料已經在半導體照明、激光與光通信、航空航天、汽車電子、深海鉆探等多個領域得到了廣泛應用。

目前常用的電子封裝陶瓷基板材料包括氧化鋁、碳化硅、氮化鋁、氮化硅、氧化鈹等。在這些材料中，哪一種最適合用于芯片散熱呢？下面由深圳金瑞欣小編來跟大家講解一下：

氧化鋁陶瓷是最常見的一種陶瓷基板材料。早在1929年，德國西門子公司就成功研制出了Al2O3陶瓷，并于1932年發表研究成果，1933年開始工業化生產。它因價格低廉、穩定性好、絕緣性和機械性能優良，且工藝技術成熟，成為目前應用最廣泛的陶瓷基板材料。然而，Al2O3陶瓷的熱導率較低（20W/(m·K)），且其熱膨脹系數與Si不太匹配，這在一定程度上限制了它在大功率電子產品中的應用，主要適用于電路電壓較低、集成度不高的封裝領域。

BeO陶瓷是一種常用的高導熱陶瓷基板材料，綜合性能良好，能夠滿足較高的電子封裝要求。但是，其熱導率會隨溫度波動而發生較大變化，溫度升高時熱導率會顯著下降。此外，BeO粉末具有劇毒，大量吸入會導致急性肺炎，長期吸入還會引發慢性鈹肺病。因此，其應用受到極大限制。據了解，日本已經禁止了BeO的生產，歐洲也對BeO相關的電子產品進行了限制。

SiC單晶體具有很高的熱導率，純SiC單晶體在室溫下的熱導率高達490W/(m·K)。然而，由于晶粒取向的差異，多晶SiC陶瓷的熱導率僅為67W/(m·K)。此外，SiC的絕緣程度較低，介電損耗大，高頻特性差。因此，多年來對SiC作為電路基片材料的研究較少。

相比之下，氮化鋁陶瓷的性能更為優異，尤其是其高熱導率的特點。其理論熱導率可達320W/(m·K)，商用產品的熱導率一般在180W/(m·K)到260W/(m·K)之間，使其能夠用于高功率、高引線和大尺寸芯片的封裝基板。早在20世紀80年代初期，世界上一些發達國家就開始從事AlN基片的研究和開發，其中日本開展得最早，技術也最成熟。1983年，日本就研制出了熱導率為95W/(m·K)的透明AlN陶瓷和260W/(m·K)的AlN陶瓷基片，并從1984年開始推廣應用。

此外，氮化鋁陶瓷還具有較高的機械強度和化學穩定性，能夠在惡劣環境下保持正常工作狀態。正是因為這些優良性能，氮化鋁陶瓷在眾多陶瓷基板材料中脫穎而出，成為新一代先進陶瓷封裝材料的代表產品。

再看看氮化硅陶瓷。1995年以前，Si3N4在室溫下的熱導率為20到70W/(m·K)，遠低于AlN和SiC的熱導率，因此其導熱性能一直未受重視。然而，1995年，一位名叫Haggerty的科學家通過經典固體傳輸理論計算發現，Si?N?材料熱導率低的主要原因是晶格內存在缺陷和雜質，并預測其理論值最高可達320W/(m·K)。此后，科研人員在提高Si?N?材料熱導率方面開展了大量研究。通過工藝優化，氮化硅陶瓷的熱導率不斷提高，目前已突破177W/(m·K)。

此外，Si3N4陶瓷的最大優點是其熱膨脹系數低。在陶瓷材料中，除了SiO2（石英）外，Si3N4的熱膨脹系數幾乎是最低的，為3.2×10-6/℃，約為Al2O3的1/3。

綜合來看，氮化鋁陶瓷基板的最大優勢在于其高熱導率，以及與Si、SiC和GaAs等半導體材料相匹配的熱膨脹系數，因此在解決大功率器件散熱問題方面表現出色。而氮化硅陶瓷則以全面性著稱。在現有的可作為基板材料的陶瓷材料中，Si?N?陶瓷的抗彎強度高（大于800MPa），耐磨性好，被稱為綜合機械性能最好的陶瓷材料，在強度要求較高的散熱環境中表現優于其他材料。

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審核編輯 黃宇