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不斷升高的芯片結(jié)溫會(huì)給功率半導(dǎo)體帶來(lái)可靠性和性能問(wèn)題，雖然更高的熱性能通常伴隨著材料成本的大幅增加。但是一種新的氮化鋁陶瓷基板提供了一種解決方案，可以彌補(bǔ) 96% 氧化鋁和傳統(tǒng)氮化鋁之間的成本和熱性能差距。

在有據(jù)可查的是，不斷升高的芯片結(jié)溫會(huì)給功率半導(dǎo)體帶來(lái)許多可靠性和性能問(wèn)題，例如飛思卡爾關(guān)于熱管理的白皮書(shū)列出了以下與高結(jié)溫相關(guān)的功率半導(dǎo)體問(wèn)題；

· 漏電流增加

· 柵極氧化物降解更快

· 離子雜質(zhì)更容易移動(dòng)

· 機(jī)械應(yīng)力增加

· 二極管正向電壓失效

· MOSFET導(dǎo)通電阻增加

· MOSFET閾值電壓下降

· 雙極晶體管開(kāi)關(guān)速度變慢

· 雙極晶體管增益趨于下降

· 擊穿電壓趨于增加

· 晶體管安全工作區(qū)減少

因此，封裝在功率半導(dǎo)體應(yīng)用中的主要作用之一是有效地從半導(dǎo)體器件中去除熱量，這也是最高功率器件采用成本更高的陶瓷封裝選項(xiàng)（例如直接鍵合銅（DBC）和直接鍍銅（DPC））的關(guān)鍵原因之一。對(duì)于這種類型的封裝技術(shù)，厚銅（電鍍或銅箔）與氧化鋁96%、氮化鋁、氧化鋯增韌氧化鋁（ZTA）或氮化硅制成的陶瓷基板粘合。圖1列出了這些不同陶瓷材料的熱導(dǎo)率，以及相關(guān)陶瓷成本。

陶瓷封裝材料的性能從使用96%氧化鋁作為相對(duì)成本基礎(chǔ)的圖1中可以清楚地看出，更高的熱性能伴隨著材料成本的大幅增加。我們將描述一種基于氮化鋁陶瓷基板的解決方案，從成本和熱性能的角度來(lái)看，該解決方案將提供介于96%氧化鋁和傳統(tǒng)氮化鋁之間的解決方案。

一、為什么氮化鋁會(huì)太貴

其實(shí)氮化鋁（AIN）是高熱需求應(yīng)用的理想選擇，因?yàn)樗Y(jié)合了高導(dǎo)熱性和4.5ppm/C的中等CTE。但是AIN的成本系數(shù)是氧化鋁的8倍以上，極大地限制了它的應(yīng)用。氮化鋁陶瓷基板目前用于功率半導(dǎo)體封裝，但僅在沒(méi)有其他可行替代方案的情況下使用。功率半導(dǎo)體市場(chǎng)的高低成本壓力以及封裝所需的總器件成本的很大一部分，增加了盡量減少高成本氮化鋁使用的壓力。

二、用于高熱需求應(yīng)用的新型氮化鋁陶瓷基板材料

如今已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新材料，它適合氧化鋁和傳統(tǒng)氮化鋁之間的成本/性能（差距）。這種被標(biāo)記為“HBLED Grade 氮化鋁”的新材料的主要特點(diǎn)（由于它適合高亮度LED市場(chǎng)）是低得多的粉末和工藝成本，氧化鋁和傳統(tǒng)氮化鋁之間的導(dǎo)熱性以及白色在可見(jiàn)光中具有高度反射性。這種新材料是成本和熱性能也很關(guān)鍵的功率半導(dǎo)體應(yīng)用的理想材料。

新型HBLED級(jí)氮化鋁的熱導(dǎo)率為100w/mk，是氧化鋁的5倍。但比傳統(tǒng)的氮化鋁低42%，這對(duì)于大多數(shù)功率半導(dǎo)體應(yīng)用來(lái)說(shuō)綽綽有余。機(jī)械、電氣和物理特性與傳統(tǒng)的氮化鋁非常相似。一個(gè)非常關(guān)鍵的因素是，這種新的氮化鋁材料使用了成本低得多的氮化鋁粉末，該粉末是通過(guò)鋁金屬的“直接氮化”制成的，這種粉末通常比電子應(yīng)用中使用的傳統(tǒng)碳熱還原粉末便宜60~75%。

此外，HBLED氮化鋁的加工溫度為1700~1725℃，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，可以使用氧化鋁隔熱板和鉬加熱元件的連續(xù)爐。雖然比低溫氧化鋁燒結(jié)爐更昂貴，但從從不和產(chǎn)量的角度來(lái)看，與高溫熔金屬或石墨間歇爐中的傳統(tǒng)氮化鋁處理相比，這是一個(gè)顯著的改進(jìn)。

圖2新型低成本氮化鋁等級(jí)，白色瓷磚尺寸為4.5英寸。正方形它使用傳統(tǒng)的氮化鋁襯底（在本例中為2平方英寸）顯示。

我們專注于一種新的氮化鋁陶瓷基板技術(shù)，在從成本/性能的角度來(lái)看，這種材料彌合了當(dāng)前高導(dǎo)熱性、高成本氮化鋁之間的巨大差距，以及較低的熱性能，較低成本的氧化鋁。

對(duì)于該技術(shù)的重點(diǎn)應(yīng)用，包括功率半導(dǎo)體和HBLED封裝，100W/mk的熱性能綽綽有余。由于這些應(yīng)用具有高度成本競(jìng)爭(zhēng)力，以及目前功率器件的高封裝成本，因此非常適合成本結(jié)構(gòu)顯著降低的新材料。隨著這種材料的應(yīng)用范圍更廣，預(yù)計(jì)它將在許多現(xiàn)在完全由氧化鋁提供服務(wù)的應(yīng)用中競(jìng)爭(zhēng)。