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高导热半导体功率器件对先进陶瓷基板进展需求

 时间:2022-03-02     浏览:991     分享

随着第三代半导体功率器集成度和功率密度的明显提高,相应工作产生的热量急剧增加。因此,半导体电子封装系统的散热问题已成为影响其性能和寿命的关键,要有效解决器件的散热问题,必须现在高导热性的陶瓷基板材料。

 

半导体功率器件是于电力电子技术及其应用装置的基础,也是推动电力电子变换器发展的主要源泉。半导体功率器件处于现代电力电子变换器的心脏地位,在它对装置的可靠性、成本性和性能起着十分重要的作用。

 

半导体功率器件几乎用于所有的电子制造业,也是目前半导体功率的应用范围已从传统的工业控制和4C产业(计算机、通信、消费类电子产品和汽车),扩展到新能源、轨道交通、智能电网等新领域。在半导体功率器件使用过程中还是需要考虑颠簸、震动等复杂应用条件,这是对陶瓷基板等材料机械力学性能和可靠性提出了更高要求。在陶瓷基板其具备了高强度、高导热、耐高温、抗氧化、热膨胀系数低和抗热震等热、力性能,同时具有较好的气密性,可隔离水汽、氧气和灰尘等特点,成为大功率半导体器件基板的最佳材料,被广泛应用到半导体功率集成电路中。

 

陶瓷基板的特点要求:

1. 优异的热导率,高的热导率代表了优异的散热性能,直接影响功率器件的运行状况和使用寿命 ; 

2. 高的力学性能,尤其材料抗弯强度和断裂韧性对功率器件可靠性有直接影响 ; 

3. 良好的绝缘性和抗电击穿能力 ; 

4. 低的热膨胀系数,与SiC衬底在热膨胀系数的匹配上具有其他陶瓷 不可替代的优势 ; 

5. 良好的高频特性,即低的介电常数和低的介质损耗 ; 

6. 表面光滑,厚度一致,便于在基板表面印刷电路,并确保印刷电路的厚度均匀。

 

半导体功率器件的制造商离不开电子封装,电子封装为芯片和电子元件提供机械支撑及环境保护,实现电互联和信号传输提供快速散热通道,让器件能更好的发挥各项性能。其中,电子封装用基板材料要求具有低成本、易加工、高导热性与绝缘等特性,而陶瓷基板材料凭借其极好的耐高温、耐腐蚀、热导率高、机械强度高、热膨胀系数与芯片相匹配及不易劣化等特性成为大功率、高密度、高温及高频器件封装的首选。

 

目前,用在半导体功率器件领域的陶瓷基板材料主要为氧化铝、氮化铝、氮化硅等,三者在性能、工艺、成本等方面各有优势及不足,而具体的材料选择以及发展方向,是由下游功率半导体模块提出的需求决定的。其中,作为大功率电子半导体模块的优势材料,氮化铝和氮化硅陶瓷基板,目前仍旧还处于不相伯仲的竞争状态。

 

氮化铝陶瓷基板的优势在于其它基板的热导率,而氮化硅陶瓷基板的优势在于综合性能优秀,它的热导率比氮化铝低,但它的抗弯强度更高,与此同时,与第三代半导体SiC的热膨胀匹配性更好。而在当前SiC芯片极度缺芯的态势下,陶瓷基板制造商在具体应用过程中,又会对陶瓷基板材料提出了怎样的进展方向需求?