一种电子封装导热陶瓷基板材料的研究

高鸣阳

摘 要：芯片產业，越来越受到国家的重视。而在整条集成电路产业链条中，电子封装产业的重要性越发凸显，电子封装基板材料又是电子封装诸多要素中的核心。而随着芯片的器件密度和功率不断攀升，基板散热能力已经愈发成为限制电子系统整体性能提高的重要因素，因此在本文中我们将研发一种导热性能较好的陶瓷基板材料，来尝试改善这个问题。

关键词：芯片;散热;陶瓷基板

引言

集成电路（integratedcircuit）简称IC，或者又可以叫做芯片，是现代工业皇冠上最璀璨的明珠。无论是5G通信，云计算与大数据，人工智能，乃至新能源汽车乃至宇航产业，皆离不开各种高性能芯片的大规模使用，但是有一个事实值得我们警惕，芯片已经连续多年蝉联我国进口冠军，甚至大幅超过了国内自给率只有百分之三十的石油，在这个严峻的形势下，集成电路的产业越来越受到国家的重视[1]。而在整条集成电路产业链条中，电子封装产业的重要性越发凸显，电子封装基板材料又是电子封装诸多要素中的核心。

1.电子封装基板材料概述

作为一种优秀的基板材料，，应该具备以下几种特性

（1）较好的散热能力，也就是相对高的热导率，保护电子器件的稳定性不因过高的温度而受到影响;

（2）良好的高频特性，通常意味着较低的介电常数，减少信号传输的延迟，使基板更适应5G时代高频通信的需求;

（3）适宜的热膨胀系数，通常基板上的电子芯片是由硅制作而成的，所以基板材料的线膨胀系数要尽量与硅的相匹配，这样才能避免因为温度上升导致的热应力导致芯片脱焊;

（4）良好的绝缘特性，材料电阻率一定要小，否则会有漏电和短路现象，影响芯片的正常工作[2];

1.1电子封装基板材料分类

目前电子封装基板主要分为高分子塑料基板，金属基板，陶瓷基板三种类型，目前占据最大市场份额的基板材料为高分子塑料基板，其价格低廉，应用范围较广，但由于高分子材料固有的本征特性，热导率极低，不能满足高速发展的电子系统的散热要求。金属基板材料热导率很高，但本身为导电材料，在进行芯片封装时需要额外加入绝缘层，大大提升了工艺成本。以上两种材料的的线膨胀系数与硅相差较大，在温度反复变化时，容易出现基板变形，芯片脱焊等问题。陶瓷材料是当前市场占有率仅次于塑料材料的基板材料。而其相对上述两种材料也具有很多优点，（a）绝缘性好，一般来说，陶瓷材料的电阻率都很低，不需要额外的绝缘工艺，成本较低 （b）高频特性优秀，陶瓷材料的介电系数较小，信号延迟低，可以提升信号的传输速度。（c）热膨胀系数适合，相对于塑料和金属材料，陶瓷的物理特性与硅这种非金属晶体材料更为接近，因此线膨胀系数的匹配程度也较好，热稳定性较高。（d）热导率相对较高，陶瓷材料，尤其是纯度较高的陶瓷材料，远超传统环氧树脂塑料基板0.3 W/（m·K）的热导率，有些如BeO、SiC等材料，其理论热导率甚至不亚于金属。

1.2陶瓷基板材料的研究现状

1.2.1氧化铝（Al2O3）

氧化铝陶瓷呈白色，热导率为16W/（m·K）～24W/（m·K），热膨胀系数为7.0×106/°C～8.0×106/°C，介电常数为10左右，是目前市面上占有率最大的一种陶瓷基板材料，占有率高达八成以上，但氧化铝与硅的线膨胀系数匹配度较差，且介电常数也相对较高，不太适用于高频应用领域。

1.2.2氮化铝（AlN）

氮化铝陶瓷呈灰白色，导热能力优秀，且线膨胀系数4×106/°C，与硅的匹配度较好，介电常数为8～10，是一种目前研究前景较好的陶瓷材料，但ALN本身具有水解特性，不能直接与水接触，需要增加防水工艺，且需要无氧气氛烧结，烧结温度也很高，这些问题都大大增加了制造成本，限制了氮化铝陶瓷基板材料的应用。

1.2.3氧化铍（BeO）

氧化铍陶瓷材料呈白色，其相对分子量较低，导致材料热导率高，如纯度为99%的BeO室温热导率可达310W/（m·K）;介电常数为6.7，单论性能来说，氧化铍是一种性能极为优秀的基板材料，但是其本身的生产过程会产生一个剧毒的环境，危险性高，且烧结温度接近两千度，所以产品的推广受到了严重的阻碍，只有军事，卫星通信等不计成本，对性能有极高要求的领域，才有一些应用。

1.2.4尖晶石陶瓷

尖晶石结构陶瓷材料呈白色，硬度高，热导率接近甚至超过氧化铝陶瓷，介电常数小于氧化铝陶瓷，品质因子也较高，是一种很有潜力的陶瓷基板材料，目前研究较多的是ZnAl2O4尖晶石陶瓷材料，其烧结致密温度据报道为1650℃，接近常见马弗炉的温度上限，且因为Zn2+在高温烧结时容易挥发[3]，所以烧结产物容易出现细小空洞且发生形变，影响材料本身的导热及介电性能。因此，如何使改良ZnAl2O4基微波介质陶瓷性能特性，且能够克服上述缺陷，成为了本课题想要解决的技术问题。

2.选题依据

一般来说，对于非金属物质来说，组成较为简单的化合物热导率相对较高，这就是为何纯相物质的热导率要高于混合物，因为物质中如果含有太多复杂相，根据非金属物质导热理论，声子的传导就是受到更多的阻碍，因此，我们想到通过一种与Zn2+性质较为相似的离子对其进行取代，是晶体结构不要受到太大影响的同时解决高温下Zn2+蒸发的问题，来提高热导率合介电性能。通过查阅资料，我们发现MgAl2O4和ZnAl2O4同为尖晶石结构，且Zn2+离子与Mg2+比较接近，另外并没有看到MgAl2O4在烧结时有元素蒸发的报道。因此考虑使用Mg2+来部分取代Zn2+来提高ZnAl2O4基陶瓷材料的性能。

3.实验步骤与样品分析

具体实验步骤如下：

第一步;将ZnO、MgO、Al2O3按照化学通式Zn1-xMgxAl2O4进行配料形成混合物;

第二步;将第一步配制得到的混合物放入聚四氟乙烯球磨罐中，以去离子水作为分散剂，玛瑙球为球磨介质，其中：混合物：磨球：去离子水的质量比为1∶3∶1.5，在行星式球磨机上球磨12小时;得到混合均匀的球磨料a;

第三步;将第二步得到的球磨料a放入70℃烘箱中烘干得到干燥粉体a;

第四步;将第三步得到的干燥粉体置于氧化铝坩埚中，在1300℃的大气氛围条件下预烧3小时，得到预烧粉体;

第五步;将第四步得到的预烧粉体一并置于聚四氟乙烯球磨罐中进行二次球磨，以去离子水作为分散剂，玛瑙球为球磨介质，其中：混合物：磨球：去离子水的质量比为1∶3∶1.5，在行星式球磨机上球磨12小时，得到混合均匀的球磨料b;

第六步;将第五步所得的球磨料b放入70℃烘箱中烘干得到干燥粉体b;

第七步;在第六步所得干燥粉体b中加入占干燥粉体b的质量百分比为8%的聚乙烯醇得到粒料，然后将粒料在玛瑙研钵中研磨，将研磨后的粉体过100目筛后，经10MPa壓制成直径为14.6mm，厚度为2mm的圆柱形试样;

第八步;将第七步得到的圆柱形试样置于马弗炉中，按照3℃/min温度曲线进行升温，温度达到550℃时保温2小时进行排胶，而后继续按照3℃/min温度曲线进行升温，升温至1550℃～1650℃时，在此温度下维持5小时进行烧结，最终制得ZnAl2O4基微波介质陶瓷材料。

图1（a）、（b）分别为纯相ZnAl2O4陶瓷与Zn0.9Mg0.1Al2O4陶瓷的SEM图，从图中可以看出（a）颗粒大小不均匀，且晶粒上有空洞，且晶粒边缘有破损，这是Zn2+挥发造成的;图1（b）中可以看出：由于Mg2+的引入，颗粒大小变得均匀，排列紧密，且晶粒变大。

4.总结

上述实验的主要变量是材料中Zn与Mg的比例与烧结温度，通过测试烧结好的样品，发现在化学组成为Zn0.9Mg0.1Al2O4的尖晶石基陶瓷材料导热与介电性能最为优秀，相比于在1650℃烧结致密纯ZnAl2O4，介电常数由8.5降到了8.3，Q·f值从70500GHz升高到了141000GHz，热导率从13.1W/（m·K）升高到了18.2W/（m·K），且烧结致密温度也降低了100℃到了1550℃。因此可以说是成功提高改善了ZnAl2O4基陶瓷材料的性能，使其成为了一种性能更为优异的电子封装陶瓷基板材料。

参考文献：

[1]曾小亮，孙蓉，于淑会，许建斌，汪正平.电子封装基板材料研究进展及发展趋势[J].集成技术，2014，3（06）：76-83.

[2]程浩，陈明祥，罗小兵，彭洋，刘松坡.电子封装陶瓷基板[J].现代技术陶瓷，2019，40（04）：265-292.

[3]雷文，吕文中.低介微波介质陶瓷基板材料研究进展[J].中国材料进展，2012，31（07）：16-25+50.