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氮化硅:未来陶瓷基片材料的发展趋势

张伟儒 高 崇 郑 彧 北京中材人工晶体研究院有限公司 近年来,半导体器件正沿着大功率化、高频化、集成化的方向发展。大功率半导体器件在风力发电、太阳能光伏发电、电动汽车、LED照明等领域都有广泛的应用。可以说大功率半导体器件,是绿色经济的核芯。 任何半导体器
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张伟儒 高 崇 郑 彧 北京中材人工晶体研究院有限公司 近年来,半导体器件正沿着大功率化、高频化、集成化的方向发展。大功率半导体器件在风力发电、太阳能光伏发电、电动汽车、LED照明等领域都有广泛的应用。可以说大功率半导体器件,是绿色经济的核“芯”。 任何半导体器件在工作时都有一定的损耗,大部分的损耗均变成热量。有统计表明,由热引起的器件失效高达55%,可见热是影响大功率半导体器件可靠性的关键因素。半导体封装内的芯片、金属镀层等部分一般都具有良好的散热性,因此封装内的绝缘基板材料的导热性能是影响整个半导体器件散热的关键。此外,半导体器件使用过程中往往要面临复杂的力学环境,这也对半导体器件所用材料的服役可靠性提出了很高要求。一种优秀的基片材料应具有高热导率及良好的力学性能。相比于传统的树脂基片材料,陶瓷材料具有更优异的导热性及力学性能,并具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点,是高端半导体器件,特别是大功率半导体器件基片的最佳材料。 一、半导体器件用基片材料性能要求 半导体封装基片材料是承载电子元件及其相互联线,并具有良好的电绝缘性的基体,基片材料应具有以下性能:①良好的绝缘性和抗电击穿能力;②高的热导率:导热性直接影响半导体期间的运行状况和使用寿命,散热性差导致的温度场分布不均匀也会使电子器件噪声大大增加;③热膨胀系数与封装内其他所用材料匹配;④良好的高频特性:即低的介电常数和低的介质损耗;⑤表面光滑,厚度一致:便于在基片表面印刷电路,并确保印刷电路的厚度均匀。 目前常用的基片材料主要包括:陶瓷基片、玻璃陶瓷基片、金刚石、树脂基片、硅(S i)基片以及金属或金属基复合材料等。其中陶瓷由于具有绝缘性能好、化学性质稳定、热导率高、高频特性好等优点而最受瞩目,在销售额总量上占全部基片的50%以上。欧美、日本的陶瓷基片市场规模可达50亿美元以上;国内对陶瓷基片的需求也十分巨大,以氧化铝陶瓷基片为例,目前我国的需求量每年超过100万m2,而其中近90%依赖进口。 二、半导体器件用陶瓷基片材料发展现状 目前已经投入生产应用的陶瓷基片材料主要包括氧化铍(B e O)、氧化铝(AL2O3)和氮化铝(AIN)等。 1.BeO 陶瓷基片材料 B e O属六方纤锌矿结构,铍(B e)与氧(O)距离很小,原子间堆积致密,加之平均原子量较低,符合德拜理论所阐述的高热导率陶瓷的条件,是氧化物中难得的具有高电阻、高热导率的陶瓷材料,其室温热导率可达250W/ ( m·K ),与金属的热导率相当。制备高性能B e O陶瓷一般采用采用M g O - A l2O3- S i O2系烧结助剂,也有研究表明掺杂0.1%(质量分数)的T b4O7能够提高B e O陶瓷的热导率,掺杂C e O2和Nd2O3能够提高B e O陶瓷的密度[1-3]。 20世纪60年代,美国日本等发达国家就已经研制出多层B e O陶瓷基片。直至今日,美国仍是BeO陶瓷基片材料的主要产地,其B e O陶瓷基片产量及金属化技术均处于世界前列,如布拉什韦尔曼( B r u s h W e l m a n )公司、Accuratus公司、IJ研究院等。日本的住友化学株式会社(以下简称“住友”)、京瓷株式会社(以下简称“京瓷”)、日本特殊陶业株式会社(以下简称“日本特殊陶业”)等企业都生产过B eO陶瓷,产品的热性能、机械性能和电性能方面具有明显的优势[4-6]。 B e O陶瓷的致命缺点是其剧毒性,长期吸入B e O粉尘会引起中毒甚至危及生命,并会对环境造成污染,这极大影响了BeO陶瓷基片的生产和应用。随着新材料的不断进步,未来Be O陶瓷基片也将退出历史舞台。 2.Al2O3 陶瓷基片材料 A l2O3陶瓷是目前制作和加工技术最成熟的陶瓷基片材料,A l2O3陶瓷基片的主要成分为α- A l2O3,这也是A l2O3多种同质多晶体中最稳定的一种。根据A l2O3含量的不同有75瓷,85瓷,95瓷和99瓷等不同牌号。A l2O3陶瓷基片具有介电损耗低,电性能与温度的关系不大,机械强度较高,化学稳定性好的优点。近些年来,国内外对于A l2O3陶瓷基片研究的侧重点在于优化烧结方法和烧结助剂的选择。常用的烧结方法有常压烧结法、热压烧结法、热等静压烧结法、微波加热烧结法、微波等离子烧结法和放电等离子烧结法(SPS)。烧结助剂则通常选用三氧化二硼(B2O3)、氧化镁(M g O)、二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)、三氧化二钇(Y2O3)和氧化钐(S m2O3)等金属氧化物。 虽然Al2O3基片是目前电子行业中应用最成熟的陶瓷材料,但因其热导率较低,99瓷Al2O3热导率仅为29W/ (m·K)。 此外,Al 2O3热膨胀系数较高(7.2×10-6/℃ ),而芯片硅单晶的热膨胀系数仅为(3.6 ~4.0)×10-6/℃,在反复的温度循环中容易累积内应力,大大增加了芯片失效概率。这些决定了A l2O3基片并不能适应半导体器件大功率化的发展趋势,其应用只限于低端领域[4-6]。 3. 氮化铝(AIN)陶瓷基片材料 A l N为具有六方纤锌矿结构的Ⅲ-Ⅴ族共价键化合物。铝与氮都是四配位,2种A l-N键的键长分别为0.1885n m和0.1917n m,键角分别为107.7°和110.5°,其晶体的理论密度为3.261g/cm3。这种结构使AlN陶瓷材料成为少数几种具有高导热性能的非金属材料之一。AIN陶瓷基片有着Al2O3陶瓷基片5倍以上的热导率,可达150W/(m·K)以上。另外,AlN的热膨胀系数为(3.8 ~4.4) ×10-6/℃,与Si、碳化硅(SiC)和砷化镓(GaAs)等半导体芯片材料热膨胀系数匹配良好。 20世纪80年代,部分发达国家就开始对A l N陶瓷基片进行研发。其中日本对于AlN陶瓷基片的研发处于世界的前列。东芝、日本电气、日立等日本公司在1985年就已经把AlN陶瓷基片投入生产。现如今,日本还有多家企业研发和生产A l N陶瓷基片,如京陶、日本特殊陶业、住友金属工业、富士通、东芝、日本电气等。制备A l N陶瓷的核心原料A l N粉体制备工艺复杂、能耗高、周期长、价格昂贵。国内的A l N粉体基本依赖进口,原料的批次稳定性、成本也成为国内高端A l N陶瓷基片材料制造的瓶颈[4-6]。 高成本限制了A l N陶瓷的广泛应用,因此目前A I N陶瓷基片主要应用于高端产业。此外A l N虽然具有优秀的导热性能和与半导体材料相匹配的线膨胀系数,但是其力学性能较差,如其抗弯强度只有300M P a。在复杂的力学服役环境下,A l N基片易发生损坏,从而对半导体器件寿命造成影响,并增加使用成本。 三、氮化硅(Si3N4)陶瓷基片 S i3N4具有3种结晶结构,分别是α相、β相和γ相。其中α相和β相是S i3N4最常见的形态,均为六方结构,可在常压下制备。S i3N4陶瓷具有硬度大、强度高、热膨胀系数小、高温蠕变小、抗氧化性能好、热腐蚀性能好、摩擦系数小、与用油润滑的金属表面相似等诸多优异性能,是综合性能最好的结构陶瓷材料。单晶氮化硅的理论热导率可达400W / (m·K),具有成为高导热基片的潜力[7]。此外Si3N4的热膨胀系数为3.0×10-6/℃左右,与Si、SiC和GaAs等材料匹配良好,这使S i3N4陶瓷将成为一种极具有吸引力的高强高导热电子器件基板材料[8]。 与其他陶瓷材料相比,S i3N4陶瓷材料具有明显优势,尤其是在高温条件下氮化硅陶瓷材料表现出的耐高温性能、对金属的化学惰性、超高的硬度和断裂韧性等力学性能。表1为Si3N4、AIN和Al2O3三种陶瓷基板材料的性能比较。可以得出S i3N4陶瓷的抗弯强度、断裂韧性都可达到AIN的2倍以上。特别是在材料可靠性上,S i3N4陶瓷具有其他二者无法比拟的优势。 S i3N4陶瓷为强共价键结构,热的传递机制为声子传热。S i3N4陶瓷烧结体复杂的结构,对声子的散射较大,使常用S i3N4陶瓷结构件产品热导率偏低。然而通过配方设计和烧结工艺优化等方法,目前高导热S i3N4陶瓷,在不损失力学性能的前提下,热导率可达80 ~100W/(m·K)[9]。从热导率的角度,似乎S i3N4陶瓷与A l N还存在差距。但是陶瓷基片在半导体封装中是以陶瓷覆铜板的形式使用的,S i3N4陶瓷基板优异的力学性能,使其可以涂覆更厚的金属铜(C u)。如图1所示,厚度为0.635mm的AlN陶瓷基板单边只能涂覆0.3mm左右厚的Cu,Cu层更厚会导致基板开裂,而厚度为0.32mm的S i3N4陶瓷基板单边覆铜厚度可达0.5mm以上。这2种陶瓷覆铜板的热阻都为0.5℃ /W,如表1所示。即二者在使用时的散热性是等效的[10]。 此外,Si 3N4陶瓷覆铜板还具有更高的安培容量,如图2所示。可见S i3N4陶瓷是综合了散热性能、可靠性和电性能最佳的半导体绝缘基片材料,未来应用前景十分广阔。 S i3N4陶瓷基片材料在未来的广阔的市场前景,引起了国际陶瓷企业的高度重视。而目前全球真正将S i3N4陶瓷基片用于实际生产电子器件的只有东芝、京瓷和罗杰斯等少数公司。商用S i3N4陶瓷基片的热导率一般在56 ~90W / ( m·K)。以日本东芝公司为例,截至2016年已占领了全球70%的氮化硅基片市场份额,据报道其S i3N4陶瓷基片产品已用于混合动力汽车/纯电动汽车(HE V / EV)市场领域。图3为Si3N4陶瓷基片替代AlN陶瓷基片在电动汽车中的应用案例。 从2015年起,北京中材人工晶体研究院有限公司(下简称“晶体院”)依靠现有研发条件,开展了高导热氮化硅基片的研发工作。通过优化配方及工艺烧结工艺优化,成功制备了高导热S i3N4陶瓷基片材料。表2为晶体院高导热S i3N4陶瓷材料与东芝产品的关键性能比较,可见晶体院高导热S i3N4陶瓷材料热导率已十分接近东芝产品,并且在力学性能上实现了较大幅度超越。图4为晶体院制备的高导热Si3N4陶瓷基片。 四、结语 目前,全球半导体器件技术都朝着更高的电压、更大的电流,和更大的功率密度方向发展。这种趋势推动着宽禁带半导体〔如S i C和氮化镓(G a N)〕在不久的将来迅速的替代S i。高的功率和使用环境的复杂力学性,对封装材料的服役可靠性提出了极严苛的要求。如前文分析S i3N4陶瓷基片是集高热导率、高可靠性于一身的综合性能最佳的基片材料,S i3N4陶瓷基片必将是未来半导体器件陶瓷基片的发展趋势,并为第3代半导体的发展提供坚实的材料基础! 10.3969/j.issn.1008-892X.2016.11.008 参考文献 [1] Slack G A,Austian S B.Thermal conductivity of BeO single crystals[J].Journal of Applied Physics,1971,42(12):4713-4717. [2] 高陇桥.大功率真空电子器件实用的高导热率陶瓷的进展[J].真空电子技术,1999,2:27-31. [3] 文丹华.BeO陶瓷的烧结助剂及其对热导率的影响研究[D].长沙:中南大学,2006:2-3. [4] 张兆生,卢振亚,陈志武.电子封装用陶瓷基片材料的研究进展[J].材料导报,2008,22(11):16-20. [5] 杨会娟,王志法,王海山,等.电子封装材料的研究现状及进展[J].材料导报,2004,18(6):86-87. [6] 李婷婷,彭超群,王日初,等.电子封装陶瓷基片材料的研究进展[J].中国有色金属学报,2010,20(7):1365-1374. [7] Miyazaki H,Yoshizawa Y,Hirao K.Fabrication of high thermal-conductive silicon nitride ceramics with low dielectricloss[J].Materials Science and Engineering:B,2009,161(1):198-201. [8] Xu Wei,Ning Xiaoshan,Zhou Heping,et al.Study on the thermal conductivity and microstructure of silicon nitride usedfor power electronic substrate[J].Materials Science and Engineering:B,2003,99(1):475-478. [9] Zhou You,Hyuga H,Kusano D,et al.Development of high-thermal-conductivity silicon nitride ceramics[J].Journal ofAsian Ceramic Societies,2015,3(3):221-229. [10] 刘征,王腾飞,张伟儒,等.氮化硅陶瓷及其与金属的接合技术[C]//电子陶瓷和封闭工艺专辑,2015. 转载请注明来源。原文地址:http://www.lw54.com/html/Designs/20161126/6503143.html   

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