高密度集成散熱首選的陶瓷基板
在新能源及新一代通訊行業(yè)，隨著微電子信息技術(shù)、大規(guī)模集成電路（LSI）、多芯片組件（MCM）和微機(jī)電系統(tǒng)（MENS）等技術(shù)的迅速發(fā)展，對電子整機(jī)的要求越來越高，這種要求越來越迫切，促使它們朝著微型化、便攜式、高性能等方向發(fā)展。高密度集成是實現(xiàn)上述功能的最有效解決方案，高密度集成可以將各種電子設(shè)備復(fù)雜的功能集成到更小的組件中，而實現(xiàn)高密度集成的關(guān)鍵是解決元器件的散熱問題。對于電子器件而言，通常溫度每升高10°C，器件有效壽命就降低30%~50%。因此，選用合適的封裝材料與工藝、提高器件散熱能力就成為發(fā)展功率器件的技術(shù)瓶頸。
以大功率LED封裝為例，由于輸入功率的70%~80%轉(zhuǎn)變成為熱量（只有約20%~30%轉(zhuǎn)化為光能），且LED芯片面積小，器件功率密度很大（大于100W/cm2），因此散熱成為大功率LED封裝必須解決的關(guān)鍵問題。如果不能及時將芯片發(fā)熱導(dǎo)出并消散，大量熱量將聚集在LED內(nèi)部，芯片結(jié)溫將逐步升高，一方面使LED性能降低（如發(fā)光效率降低、波長紅移），另一方面將在LED器件內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，引發(fā)一系列可靠性問題（如使用壽命、色溫變化等）。
伴隨著功率器件（包括LED、LD、IGBT、CPV等）不斷發(fā)展，采用高導(dǎo)熱材料制作電路基板是實現(xiàn)微電路散熱的有效方法之一。
目前常用電子封裝基板主要可分為高分子基板、金屬基板（金屬核線路板，MCPCB）和陶瓷基板幾類。對于功率器件封裝而言，封裝基板除具備基本的布線（電互連）功能外，還要求具有較高的導(dǎo)熱、耐熱、絕緣、強度與熱匹配性能。因此，高分子基板和金屬基板使用受到很大限制；而陶瓷材料本身具有熱導(dǎo)率高、耐熱性好、高絕緣、高強度、與芯片材料熱匹配等性能，非常適合作為功率器件封裝基板，目前已在半導(dǎo)體照明、激光與光通信、航空航天、新能源汽車等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
氮化鋁、氮化硅陶瓷基板及其在新能源汽車中的應(yīng)用
目前陶瓷基板的主要材料以氧化鋁（Al2O3）、氮化鋁（AlN）和氮化硅（Si3N4）三類為主。氧化鋁陶瓷基板價格低廉，生產(chǎn)工藝成熟，目前產(chǎn)量最大，應(yīng)用面最廣。但是，氧化鋁陶瓷基板的導(dǎo)熱性能已無法滿足大功率芯片的散熱要求。綜合來看，氮化鋁陶瓷基板與氮化硅陶瓷基板最具發(fā)展前景。
一些陶瓷材料的特性比較
氮化鋁基板
氮化鋁陶瓷的各項性能優(yōu)異，尤其是高熱導(dǎo)率的特點，其理論熱導(dǎo)率可達(dá)320W/（m·K），其商用產(chǎn)品熱導(dǎo)率一般為180W/（m·K）~260W/（m·K），使其能夠用于高功率、高引線和大尺寸芯片封裝基板材料。
此外，氮化鋁陶瓷還具較高的機(jī)械強度及化學(xué)穩(wěn)定性，能夠在較惡劣的環(huán)境下保持正常的工作狀態(tài)。正是因為氮化鋁陶瓷具有諸多的優(yōu)良性能，氮化鋁陶瓷會在眾多陶瓷基板材料中脫穎而出，成為新一代先進(jìn)陶瓷封裝材料的代表產(chǎn)品。
汽車LED大燈的工作溫度是極其高的，功率越大，溫度越高，亮度功率是形成正比的，想要提高亮度只能通過精細(xì)的冷卻設(shè)計或者散熱器件的加大，但是效果并不理想，能夠使其達(dá)到理想效果的只有氮化鋁陶瓷基板。高導(dǎo)熱率和優(yōu)良的絕緣性，與燈珠更匹配的熱膨脹技術(shù)等優(yōu)點，讓氮化鋁陶瓷基板再次“脫穎而出”。
氮化硅基板
氮化硅被認(rèn)為是綜合性能最好的陶瓷基板材料，雖熱導(dǎo)率不如氮化鋁，但其抗彎強度、斷裂韌性都可達(dá)到氮化鋁的2倍以上。同時，氮化硅陶瓷基板的熱膨脹系數(shù)與第三代半導(dǎo)體碳化硅相近，使得其成為碳化硅導(dǎo)熱基板材料的首選。氮化硅基板在新能源汽車中的應(yīng)用不可阻擋！
氮化硅陶瓷粉末和氮化硅陶瓷基片
近年來，Si3N4陶瓷基板以其硬度高、機(jī)械強度高、耐高溫和熱穩(wěn)定性好、介電常數(shù)和介質(zhì)損耗低、耐磨損、耐腐蝕等優(yōu)異的性能，在IGBT模塊封裝中得到青睞，并逐步替代Al2O3和AlN陶瓷基板。
在新能源汽車的核心電機(jī)驅(qū)動中，采用SiC MOSFET器件比傳統(tǒng)Si IGBT帶來5%～10%續(xù)航提升，未來將會逐步取代Si IGBT。但SiC MOSFET芯片面積小，對散熱要求高，氮化硅陶瓷基板具備優(yōu)異的散熱能力和高可靠性，幾乎成為SiC MOSFET在新能源汽車領(lǐng)域主驅(qū)應(yīng)用的必選項。
AMB陶瓷基板將成為中高端功率模塊散熱的主流工藝
陶瓷基板按照工藝主要分為DPC、DBC、AMB、LTCC、HTCC等基板。
AMB陶瓷基板是DBC工藝的進(jìn)一步發(fā)展，該工藝通過含有少量稀土元素的焊料來實現(xiàn)陶瓷基板與銅箔的連接，其鍵合強度高、可靠性好。
AMB工藝生產(chǎn)的陶瓷基板主要運用在功率半導(dǎo)體模塊上作為硅基、碳化基功率芯片的基底，AMB技術(shù)實現(xiàn)了氮化鋁和氮化硅陶瓷與銅片的覆接，相比DBC襯板有更優(yōu)的熱導(dǎo)率、銅層結(jié)合力、可靠性等，可大幅提高陶瓷襯板可靠性，更適合大功率大電流的應(yīng)用場景，逐步成為中高端IGBT模塊散熱電路板的主要應(yīng)用類型。
此外，由于AMB氮化硅基板有較高熱導(dǎo)率，可將非常厚的銅金屬（厚度可達(dá)0.8mm）焊接到相對薄的氮化硅陶瓷上，載流能力較高。且氮化硅陶瓷基板的熱膨脹系數(shù)與第三代半導(dǎo)體襯底SiC晶體接近，使其能夠與SiC晶體材料匹配更穩(wěn)定，因此成為SiC半導(dǎo)體導(dǎo)熱基板材料首選，特別在800V以上高端新能源汽車中應(yīng)用中不可或缺。
根據(jù)QY Research報告，2021年AMB陶瓷基板市場規(guī)模約為0.9億美元，預(yù)計2028年增長到3.8億美元，復(fù)合增長率高達(dá)22.7%。主要供應(yīng)商包括美國Rogers、德國Heraeus、日本電化株式會社（Denka）、日本同和（DOWA）。
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