功率电子器件的设计,最主要包括电参数设计、结构设计和热耗散设计,迄今,真空电子器件的发展方向仍然是大功率、超高频——频率有至毫米波、亚毫米波,功率有达千瓦级、兆瓦级。分立器件和IC也一样,半导体芯片数越来越多,电路集成度越来越高,其半导体元件绝缘基片的热效应显得更为重要。
但值得一提的是,不同功率电子器件对封装材料的性能要求是不同的,例如功率真空电子器件用输出窗和微电子行业用散热基板,大多都是用陶瓷材料。
对功率真空电子器件用输出窗,其封装材料基本性能要求如下:
①低的损耗角正切值;②低的二次电子发射系数;③低的介电常数;④高的介电强度;⑤高的热导率系数;⑥高的机械强度;⑦适当的热膨胀系数;⑧易于金属化和封接。
而微电子行业所用的陶瓷基板﹐其基本性能要求是:
①高的体、表面电阻、高的绝缘抗电强度以及低的tgo和介电常数;②热稳定好、热导率高、热膨胀系数适当匹配;③机械强度大、翘曲度小、表面粗糙度适当;④化学稳定性好、与制造电阻或导体及其浆料的相容性好。
陶瓷基板
高导热陶瓷封装材料
一般常见的高热导率的陶瓷材料有金刚石、BeO、SiC、AlN、Si3N4和CVD-BN等,其性能如下表:
这几种材料在功率电子器件领域的应用情况如下表:
材料类型 |
性能特点 |
应用 |
不足 |
金刚石 |
介质损耗很低,且热导率很高 |
化学气相沉积(CVD)金刚石膜,是毫米波行波管特别是3mm行波管输出窗的首选材料 |
热膨胀系数很低,弹性模量很大,焊接时与一般焊料的界面能(SL)很大,从而对制成输出窗封接高质量的气密性和强度性质带来困难 |
BeO |
热导率仅次于金刚石,陶瓷成型方法多,烧结温度较低,易于金属化,封接强度较高 |
用作高热导衰减材料,BeO-SiC复合材料比AlN系性能更优 |
热导率随温度的升高下降较快(大于300℃),对高温散热不利,且BeO蒸气、粉体有害,需注意防护,且受限于原材料纯度,国内BeO陶瓷与国外有一定性能差距 |
AlN |
高热导率、二次电子发射系数特别低、热膨胀系数与 Si匹配 |
半导体低功率器件的热沉材料,功率真空电子器件输出窗的优选材 料、部分领域替代Al2O3,制备高热导率陶瓷基片、多层布线共烧基板和各种填料等 |
粉体易于水化,在流延等成型工艺时,需添加大量有机粘结剂,有环保问题;金属化和焊接技术不够成熟,封接强度较低;价格偏高,国内高端产品供应困难 |
CVD-BN |
在现有可用的陶瓷材料中,具有最大的抗电击穿强度;非常低的介电常数;热导率不随温度变化 |
功率真空电子器件输出窗,电子器件封接材料等 |
制造工艺困难,陶瓷易于分层,密度不够均匀和各向 异性突出;在封接结构设计时要缜密考虑各向异性引起材料性质的差异;制造设备较贵 |
SiC |
高纯度单晶体的热导率仅次于金刚石,热膨胀系数与Si接近,抗弯强度很大 |
SiC-BeO基板可得到近似BeO陶瓷的热导率和 较大体积电阻率,绝缘强度低,介电常数和介质耗损大,故比较适合于低压电路散热基板以 及LED等散热基板上 |
若不加任何烧结助剂,需 要 很高的烧结温度,介电常数大,介质损耗大,介 电强度小 |
Si3N4 |
热导率较高,高抗热震性、高抗氧化性 |
陶瓷基板作为高速电路和大功率器件散热和封接材料 |
国内基板流延技术和金属化技术还不太成熟 |
金属基高热导率合金和复合封装材料
在功率电子器件中,除了需要应用陶瓷基的高热导率的材料作基板外,也需要应用金属基的高热导率的材料作管壳。
晶体管管壳
目前,常用的这类材料有W-Cu和Mo-Cu合金,SiCp/Al复合材料,高Si-Al复合材料以及金刚石/Cu和金刚石/Al复合材料等。
常用金属封装材料性能对比
其中,纯Al、Cu和Ag等虽然具有优异的导热性能,然而它们的较高热膨胀系数很难与半导体器件相匹配;以Kovar合金为代表的膨胀合金,虽然膨胀系数与半导体器件匹配较好,但其热导率却较低,密度也较高;W、Mo和随后发展的W/Cu、Mo/Cu具有优良的热导率和机械性能,但是它们相对较高的密度、相对昂贵的价格等缺点也限制了其发展应用。
随着现代封装技术对封装材料的要求提高,材料的复合化已成为封装材料发展的必然趋势,因此,现在电子封装更倾向于采用金属基复合材料。通常以陶瓷(如AIN、BeO、si、SiC、Diamond等)为增强体材料,以金属(如Al、Cu、Ag 等)为基体材料制备的高性能复合材料,综合吸收各组元性能的优点,甚至产生新的优异性能,而成为代替传统电子封装材料的最佳选择。
几种典型金属基合金和复合材料性能对比
在各种金属基复合材料中,最先引进关注并得到大力发展的是高体分比SiCp-Al复合材料。一方面由于SiCp本身具有优良的物理性能,另一方面则是因为SiCp作为磨料的市场已经非常成熟,价格较低。这种复合材料具有热导率高、质量轻、强度大、膨胀系数可调等优点,不足之处是机械加工和焊接性能不如人意。由于高Si-Al复合材料这两点性能较好,故现今在某些领域中已有部分取代前者的实例。
另一个热点方向就是金刚石-Cu等复合材料,正作为第三代热管材料而大力研究开发。金刚石室温导热率是已知实用材料中的最高者,特别适合于作为超大规模集成电路的热沉材料。但因其热膨胀系数大大低于常用半导体材料的热膨胀系数,将金刚石与Cu、Ag、Al等复合,可实现散热、膨胀匹配和低成本的三者良好结合。然而目前还有不少问题:金刚石与金属的浸润性差;金刚石与金属的界面结合差;金刚石与金属的界面热阻效应大;复合材料烧结密度低,孔隙率大等。
总结
功率器件几乎用于所有的电子制造业,目前其应用范围已从传统的工业控制和4C产业(计算机、通信、 消费类电子产品和汽车),扩展到新能源、轨道交通、智能电网等新领域。对功率电子器件的封装也随之成了一门重要课题,材料的创新和生产工艺的研究需齐头并进,另外,针对不同应用领域,不同的材料可以满足不同的性能需求,深刻研究材料特性,总能找到最适合的应用方向。
在未来的封装技术领域,复合材料的性能和工艺技术将会有更广阔的应用,这就要求电子封装科研人员和相应的生产厂商密切关注并加强对相关研究的支持和重视。
参考来源:
1. 功率电子器件用高热导热率的封接、封装材料,高陇桥(北京真空电子技术研究所);
2. 电子封装用金属基复合材料的研究现状,张晓辉、王强(中国电子科技集团公司,第十三研究所);
3. 电子封装用高导热颗粒增强金属基复合材料制备与研究,刘猛(国防科学技术大学研究生院)。
粉体圈 小吉
版权声明:
本文为粉体圈原创作品,未经许可,不得转载,也不得歪曲、篡改或复制本文内容,否则本公司将依法追究法律责任。