功率模块Ⅰ—— 绝缘衬底

昨天我们开篇了功率模块，从功率模块的基本分层结构了解了除了半导体芯片之外的几大配置，今天我们来聊聊其中的绝缘衬底，一般会被叫作陶瓷基板，因为这种材料使用的最多，当然还有其他一些适合作为绝缘衬底的材料......

绝缘衬底主要是作为半导体芯片的底座，同时会在绝缘衬底上沉积导电材料、绝缘材料和阻性材料，还能形成无源的元器件。作为功率模块机械支撑的结构，需要能够耐受不同的工作环境，并且需要有足够的热导率将芯片等产生的热量快速传递出去。并且，一些后续的工艺，如薄膜，绑定，间距等等，需要绝缘衬底能够拥有一个较为合理的平整度。

功率模块的衬底选择标准

电气特性

高体电阻率：＞1012Ω/cm

高介电强度：＞200V/mil (1mil=0.0254mm)

低介电常数：＜15

热特性

高导热率：有效热传导＞30W/m·K

与半导体芯片的热膨胀系数较为匹配：一般选择在

2~6×10-6/℃

高耐温：一般能够满足后续加工工艺的最大温度

机械特性

高抗拉强度：＞200MPa

高抗弯强度：＞200MPa

硬度较合理

机械可加工性：易于磨削、抛光、切削和钻孔等

可金属化：适用于较为常见的金属化技术，如薄膜和厚膜工艺、电镀铜等等，这段我们下篇聊

化学特性

耐酸、碱及其他工艺溶液的腐蚀

低吸水率、空隙小

无毒性

不会等离子化

密度

低密度：机械冲击能够最小化

成熟度

技术较为成熟

材料供应能够满足

成本尽可能低，（说性价比高更为合适，毕竟不同的应用所能容许的成本高低不同）

目前几种适用于功率半导体器件应用的绝缘衬底材料有下面几种：

❖陶瓷材料（3种）：Al2O3(96%,99%)、AlN、BeO

❖硅基衬底：Si3N4

其中属氧化铝较为常见，不过在功率半导体芯片等框架确定时，一些供应商会通过改变模块中的其他成分，来达到要求，所以AlN和Si3N4也算常见。下面，我们来聊聊这几种绝缘衬底材料的优劣。

一、氧化铝（Al2O3）

优势：

是绝缘衬底最为常用的材料，工艺相对较为成熟；成本较低；性能能够满足我们上述的要求；

劣势：

导热系数较低，热膨胀系数(6.0~7.2×10-6/℃)与半导体芯片(Si基的一般为2.8×10-6/℃)的热膨胀系数不算太匹配；高介电常数；抗酸性腐蚀性能一般；

所以，氧化铝适用于中、低功率器件；适合高压和低成本器件；适用于密封封装；99%的氧化铝性价比更高一些。

二、氮化铝（AlN）

优势：

热导率高，约为Al2O3的6倍，较为适合大功率半导体器件的应用；AlN的热膨胀系数为4.6×10-6/℃，较为匹配芯片；性能同样满足我们上述的要求；

劣势：

是一种较新的材料，但与氧化铝和氧化铍相比工艺还不算成熟；在其表面直接敷铜的难度较大，易发生热疲劳失效；成本约为氧化铝的4倍；并且在较高温度和较大湿度下可能会分解为水合氧化铝；

适合大功率半导体器件的理想衬底之一，由于其机械断裂强度一般，应用时需要合金属底板配合使用。

三、氧化铍（BeO）

优势：

极其优异的热导率，约为Al2O3的8倍；同样适合大功率半导体器件的应用；工艺成熟；

劣势：

无论是固态粉末还是气态都是有毒性的；热膨胀系数相对较大，约为7.0×10-6/℃；机械强度较差，只有Al2O3的60%左右；成本是氧化铝的5倍；

有毒性大大限制了这种材料的使用。

四、氮化硅（Si3N4）

优势：

热膨胀系数约为3.0×10-6/℃，与半导体芯片较为接近；机械性能优越：是Al2O3和AlN的2倍以上，是BeO的3倍；热导率高，是Al2O3的2.5倍；适合大功率半导体的应用；高温强度高，抗热震性优良；

劣势：

技术相对还没有那么成熟，所以供应商也相对有限；不适合酸性环境下的应用；成本是Al2O3的2~2.5倍；

对于大功率半导体器件的应用来说，Si3N4应该是目前最优的衬底材料，CTE和热导率较为优势，可靠性也较高。

以上4种绝缘衬底，最常见的氧化铝，最不常见的氧化铍，以及较为优异的碳化硅，很多厂家都在针对不同的应用来搭配不同的绝缘衬底，这一点能够在芯片技术发展的同时，间接地更大效率地发挥已有芯片的性能。

今天的内容希望你们能够喜欢~