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目前,電子工業(yè)中常用的基板材料分為陶瓷基片、樹脂基板和金屬基板。其中,陶瓷基片因其良好的絕緣性能、化學(xué)穩(wěn)定性、高導(dǎo)熱性、熱循環(huán)穩(wěn)定性和接近硅的熱膨脹系數(shù)而備受關(guān)注。
1.氧化鈹陶瓷基片
氧化鈹陶瓷基片是以BeO為主要成分的陶瓷基片。具有很高的導(dǎo)熱性,幾乎等同于紫銅和純鋁λ200-250w/m-k,具有良好的抗熱震性。其介電常數(shù)為6至7(0.1MHz)。介質(zhì)損耗角正切約為4×10-4(0.1GHz)可用于高性能、高頻和大功率電子設(shè)備。一些研究表明,摻雜0.1%(質(zhì)量比)的Tb4O7可以提高BeO陶瓷的熱導(dǎo)率,摻雜CeO2和Nd2O3可以提高BeO陶瓷的密度。
2.氧化鋁陶瓷基片
氧化鋁陶瓷基體由Al2O3粉末組成。目前,陶瓷基片主要使用95瓷和99瓷。Al2O3陶瓷具有低介電損耗、高機(jī)械強(qiáng)度和良好的化學(xué)穩(wěn)定性,但熱導(dǎo)率僅約為25~30W/m-K。在陶瓷基片行業(yè)已經(jīng)形成了非常成熟的加工技術(shù)和工藝。此外,Al2O3的熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體芯片材料Si、SiC等大不相同,在冷循環(huán)和熱循環(huán)期間容易累積內(nèi)應(yīng)力,增加芯片失效概率。由于上述因素,Al2O3襯底難以適應(yīng)大功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展趨勢。
氧化鋁基材具有超高的性價(jià)比,在一些要求不高的應(yīng)用領(lǐng)域仍保持著重要地位。目前,主要應(yīng)用于中、低功率領(lǐng)域,如通用電力電子、聚光太陽能、珀耳帖元件(熱電半導(dǎo)體制冷裝置)、汽車應(yīng)用半導(dǎo)體模塊等。
3.氮化鋁陶瓷基片
氮化鋁陶瓷基片是以AlN為主要晶相的陶瓷。AlN陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)為150~230W/m-k,是Al2O3陶瓷的8倍以上。此外,AlN的熱膨脹系數(shù)為(3.8~4.4)×10-6/℃,與Si、SiC和GaAs等半導(dǎo)體芯片材料的熱膨脹率非常匹配。日本有許多開發(fā)和生產(chǎn)AlN陶瓷基片的企業(yè),如精陶、日本特種陶瓷、住友金屬工業(yè)、富士通、東芝和日本電氣。AlN粉體是制備AlN陶瓷的核心原料,制備工藝復(fù)雜、能耗高、周期長、價(jià)格高。