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陶瓷电子封装材料

时间:2017-09-14 22:09:05  来源:桑尧热喷涂网整理  作者:tianzhongma

    陶瓷封装材料的优点有:绝缘性能好,更可靠;介电系数较小,高频性能好;机械强度高,抗热冲击性能好;热膨胀系数小,热导率较高;气密性、化学稳定性好,能较好的保护电子器件。这些优点使其在航空、航天及军事领域得到广泛应用。目前应用较多的主要是A1203.Be0AINA1203陶瓷一般是指以Al2O3为主要原料、α-A12O3为主晶相、Al2O3含量在75%以上的各种陶瓷,是目前应用最成熟的陶瓷封装材料,其热膨胀系数6.7X10-6K-1)与硅((4.1X10-6K-1)能较好匹配、来源广泛、价格低廉、强度和硬度高,抗化学腐蚀性、耐热冲击性、绝缘性能良好,制作和加工工艺成熟,因而广泛应用于电子工业。

    1929年,德国西门子公司成功研制了AI2O3陶瓷,并于1933年开始共业化生产。之后美国众多工厂、公司开始研究AI2O3陶瓷。AI2O3在我国也早己产业化生产,主要用于薄硅片或混合集成电路薄膜硅片。目前使用的AI2O3陶瓷基片大多采用多层基片,AI2O3含量占85~99.5%AI2O3的含量越高,AI2O3陶瓷基片的绝缘性能、热导率越好,而烧结温度也随之升高,成本上升。加入少量滑石粉、碱土金属氧化物等烧结助剂可在不影响AI2O3;性能的前提下降低其烧结温度。Larson等人采用等离子体化学气相沉积技术,以含有碳、氢、硅、氧元素的混合气体为反应气体,在AI2O3陶瓷基体上沉积了含有金刚石和SiO2的复相过渡层,在复相薄膜上又沉积了金刚石涂层,进而研究了金刚石涂层对AI2O3陶瓷基片导热性能的影响。结果表明,有金刚石涂层的AI2O3陶瓷基片导热性能较好,同等条件下比普通AI2O3陶瓷基片温度梯度低50%左右。

    AI2O3陶瓷目前应用很广,但是其热导率仍较低,只有20Wm-1K-1左右,难以满足自然冷却的要求,必须附加风扇、散热片或者水冷等手段强制冷却,或者降低基片厚度,增加高导热填料以降低热阻,这些都限制了它在高频、大功率,超大规模集成电路中的应用。

    BeO陶瓷的显著特点是具有较高的导热率,其热导率与金属材料十分接近,在现今使用的陶瓷材料中,BeO室温下的热导率最高,同时它又是良好的绝缘体,介电常数低,损耗小,封装工艺适应性强。虽然BeO陶瓷在室温下热导率很高,可是随着工作温度的升高,其热导率会迅速下降,高温下BeO陶瓷的热导率与AI2O3陶瓷相差无几。BeO晶须可以透过人体皮肤进入体内,而且毒性很大,在制备时要采取特殊的防护措施,制备温度也很高,导致其成本也较高,限制了其应用。

    AIN陶瓷是一种新型的封装材料,具有优异的电性能和热性能,其热膨胀系数(4.5X10-6K-1)与硅(4.1x10-6K-1)能很好匹配,各类集成电路芯片和人功率器件可以直接附着在AIN基片上,而不需要加过渡片,简化工艺的同时也避免了由热膨胀系数失配引起的失效,提高电子器件的可靠性。AIN陶瓷同时具有良好的弯曲强度,无毒害,所以更轻薄、更可靠、更环保,被认为是最有发展前途的高导热陶瓷基片。但是AIN在自然界并不天然存在,必须人工制备。制备高导热AlN陶瓷的关键是要提高纯度和致密度。AIN的共价键非常强,在常压上没有固定熔点,在2450℃升华分解,没有液相形成,难以致密化烧结。其低温致密烧结是一个急需解决的难题。Li等人在5.0GPa1300℃且不添加烧结助剂的条件下通过热压烧结制备了相对密度96.3%AIN陶瓷。Kume等人通过添加摩尔分数0.5%Y2O3作为烧结助剂,无压、1900℃,N2气氛下烧结制备了热导率大于160Wm-1K-1AlN陶瓷。虽然在制备工艺上取得了进展,AlN陶瓷的制备工艺依然复杂,成本较高,不易加工成复杂形状,且不能电镀,目前还不能大规模的生产和应用。

 


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