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近年來制造功率電子器件都以細微加工和MOS工藝為基礎，從而推動了功率電子器件向集成化、模塊化方向發(fā)展；高壓大功率需求的不斷增加以及工藝技術的飛速革新，推動著功率器件向著小體積、高性能、速度快的方向發(fā)展，在封裝時通過多芯片連接從而實現(xiàn)模塊化是大勢所趨。

但由此而引發(fā)的電路發(fā)熱量也迅速提高，這將導致功率模塊器件單位體積內所生成的熱量急劇累積，使得芯片壽命下降。實踐表明，由于熱量得不到及時散失而引起的器件失效率為55%，砷化鎵或硅半導體芯片壽命受溫度影響較大，溫度每上升10℃，因此所造成的失效就是原來的3~5倍。電子器件中電路的工作溫度處于不斷上升的趨勢，大部分的損耗均來自于熱輻射，如果熱量不能有效的散失，情況嚴重的甚至會燒毀功率模塊。主要是由于在功率電子器件中，溫度過高，會導致熱膨脹系數(shù)不匹配的材料間產生熱應力及熱疲勞。因此，在功率電子器件中散熱是不可忽略的關鍵問題。

一方面，新一代寬禁帶（Wide Band Gap，WBG）半導體材料，例如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），由于具有比Si更好的電、機械和熱性能而逐漸成為研究熱點。用WBG半導體代替Si基半導體可以承受更高的擊穿電壓，實現(xiàn)更快的開關速度、更低的開關損耗和更高的工作溫度。

另一方面，封裝技術的不足卻放慢了高壓寬禁帶功率模塊投入市場的腳步，與封裝相關的失效在功率模塊所有的失效形式中占據(jù)很大的比例，需要解決的瓶頸問題之一就是高壓功率模塊封裝材料在多物理場耦合應力作用下的失效及可靠性問題。一般而言，電子封裝包括層間介質、框架布線、密封材料和封裝基板等幾個部分；而封裝體系中的金屬鍍層、芯片等模塊通常具有較好的散熱能力，因此影響電子器件散熱的關鍵在于封裝所用的絕緣基板材料。也就是說，解決器件散熱問題的關鍵之一在于選擇合適的封裝基板。

 功率電子器件封裝用基板 

功率模塊使用的封裝絕緣材料主要包括基板和灌封絕緣材料。

電子封裝基板是用于承載電子互連線且具有良好的電絕緣性能的一種底座電子元器件材料，不僅在電子電路和半導體芯片中起到支撐和保護的作用，而且在熱量的散失方面也起到相當重要的作用。功率電子器件在使用過程中往往會面臨著復雜的工作環(huán)境，因此理想的電子封裝基板需具有如下特點：

（1）較高的熱導率，良好的導熱性能有利于更好的散熱；

（2）熱膨脹系數(shù)較低，與硅和砷化鎵等封裝內的其他材料的熱膨脹系數(shù)相匹配；

（3）氣密性好，耐高濕、高溫、輻射和腐蝕等苛刻環(huán)境對電子器件的影響；

（4）剛度和強度高，可以起到支撐和保護電路及芯片的效果；

（5）焊接性能優(yōu)良以及易于加工成型，能更好的適應各種形狀和尺寸的器件；

（6）盡可能低的材料密度，以降低器件的重量。

常見的電子封裝基板包括：有機封裝基板、金屬及金屬基復合材料、陶瓷基封裝基板。

1、有機封裝基板

作為傳統(tǒng)的封裝基板材料，有機封裝基板介電常數(shù)低、材質輕、易于加工成細微形電路、適合大批量生產、制造封裝成本低。但是隨著越來越多的高功率、大規(guī)模的電子器件的應用，器件的封裝要求也越來越高；因有機封裝基板較差的電性能、較低的耐高溫性能、較差的導熱性能以及和芯片的熱膨脹系數(shù)匹配性不高等缺點已經不能滿足功率電子器件的封裝要求，特別不適用于軍事工程、智能電網(wǎng)、飛機、高鐵等領域所要求的，較高的氣密性和耐高壓高溫的產品封裝。

2、金屬及金屬基復合材料封裝基板

金屬基電路板一般包括絕緣層、電路層、金屬基板層，常作為系統(tǒng)電路基板。絕緣金屬基板以其較高的熱導率、較高的機械強度、優(yōu)良的導電性、延展性、加工性能好等優(yōu)點，早已被成功的開發(fā)并用于電子封裝中。鋁基復合材料是金屬基封裝基板中常用的基板，其具有較高的比剛度和比強度、較低的密度、易于調節(jié)的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點，在功率LED、功率電子設備、航空航天、混合集成電路等行業(yè)得到了較廣泛的使用。金屬基封裝基板具有如下特點：（1）可通過改變金屬基板的合金成分、比例、加工工藝、熱處理工藝等實現(xiàn)對金屬基板性能的調節(jié)，使其更好的應用在電子封裝中；（2）金屬基封裝可實現(xiàn)較小的體積、多樣化的封裝形式、較快的散熱能力，在封裝中可以和某些電子器件融為一體。金屬材料雖然具有諸多優(yōu)點，但是其在耐磨損、耐腐蝕、耐高溫、固晶界面應力大易產生裂縫等方面有待改善，且金屬基板生產成本較高。

3、陶瓷基封裝基板

陶瓷材料作為封裝基板，同有機材料和金屬材料作為封裝基板相比，其綜合性能有著明顯的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）耐濕耐高溫、機械強度高，不易產生微裂紋；（2）絕緣性能優(yōu)異，陶瓷大多是共價健型化合物，具有良好的絕緣性，作為封裝基板，封裝系統(tǒng)的可靠性與基板電阻成正比；（3）較高的熱導率，溫度循環(huán)性好和耐熱沖擊，典型立方晶系的陶瓷材料如BeO，AlN和SiC均具有不低于金屬材料的較高的熱導率；（4）較低的介電系數(shù)，優(yōu)良的高頻特性以及較低的介電損耗，使得信號延遲時間得到有效降低，傳輸效率得到提高；（5）較小的熱膨脹系數(shù)，有利于尺寸的穩(wěn)定性。

一般來說，共價鍵型化合物的熔點都比較高以及相對較低的熱膨脹系數(shù)，和器件中的芯片能更好的相匹配，細微化布線容易。陶瓷封裝基板憑借著自身的諸多優(yōu)良性能已經逐漸取代傳統(tǒng)封裝基板，被廣泛應用于多芯片模塊和大規(guī)模集成電路中，如高鐵、智能電網(wǎng)、航空航天、大功率LED等耐高溫、高頻、高氣密性、高可靠性的產品封裝領域。現(xiàn)階段常用的陶瓷基封裝基板主要有Al2O3、BeO、SiC、AlN、Si3N4、金剛石等。

Al2O3陶瓷制作技術成熟且便宜，熱膨脹系數(shù)（coefficient of thermal expansion，CTE）相對較大，介電常數(shù)高，但是相比其他陶瓷材料，熱導率很低，因此在高功率密度系統(tǒng)中不利于散熱；AlN陶瓷相對來說是一種比較安全和有前景的材料，其導熱性僅次于BeO，遠遠高于Al2O3，并且它的CTE與SiC接近，匹配性更強，抗彎強度和熱循環(huán)壽命與Al2O3相似；Si3N4是應用歷史較短的新材料，它的CTE與SiC匹配的最好，機械斷裂韌性最高，其高抗彎強度使其在熱循環(huán)過程中可以與厚銅板搭配，承載大電流而不容易斷裂。

 灌封絕緣材料 

灌封絕緣材料的作用是保護芯片和金屬互連部分免受惡劣環(huán)境如濕氣、化學物質等的影響，并且在導體之間提供額外的絕緣保護，同時也可以作為散熱介質。

硅凝膠是使用最廣泛的灌封材料，但是它只能在250°C內長期使用。為了提升硅凝膠的耐溫特性，研究人員使用無機填料或改性的有機硅彈性體作為灌封絕緣，可以承受高于250°C的溫度。一些聚合物例如聚酰亞胺（PI）和聚對二甲苯（Parylene）也被用作芯片表面的鈍化劑，以防止芯片外絕緣在高壓情況下被擊穿。另外，環(huán)氧樹脂等熱固性材料具有足夠的機械強度，也被用作硬灌封材料。然而，硬灌封材料在熱循環(huán)過程中經常會出現(xiàn)裂紋缺陷，而軟密封劑在高溫下會出現(xiàn)熱不穩(wěn)定現(xiàn)象，因此灌封材料的選擇常常在熱穩(wěn)定性和柔軟性之間進行權衡。

隨著高壓功率模塊的發(fā)展，亟需研究適用于高電壓功率模塊的封裝絕緣材料和封裝技術。基于此，11月15-17日，第六屆國際碳材料大會暨產業(yè)展覽會——碳化硅半導體論壇，DT新材料特邀天津工業(yè)大學梅云輝教授分享報告《高電壓（>15kV）功率器件封裝基板設計與絕緣材料研究》，將從封裝結構與封裝材料兩個方面提出了一種新型封裝方案來實現(xiàn)高阻斷電壓（>15 kV）功率芯片的封裝與應用，以及針對所設計的高壓模塊的物理性能、電性能及可靠性分享最新研究工作。誠邀各位行業(yè)專家、企業(yè)代表共同參與，分享最新技術、產業(yè)前沿，共同推進我國半導體行業(yè)國產化進程！