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一文了解几种常用的陶瓷基板材料及应用领域
目前,常用电子封装陶瓷基片材料包括氧化铝 (Al2O3)、氮化铝 (AlN)、氮化硅 (Si3N4)、氧化铍 (BeO)等。下面分别介绍其性能与技术特点。
氧化铝 (Al2O3)
氧化铝陶瓷具有原料来源丰富、价格低廉、绝缘性高、耐热冲击、抗化学腐蚀及机械强度高等优点,是一种综合性能较好的陶瓷基片材料,占陶瓷基片材料总量的 80% 以上。但由于其热导率相对较低 (99% 氧化铝热导率约为 30 W/(m·K),热膨胀系数较高,一般应用在汽车电子、半导体照明、电气设备等领域。

氮化铝 (AlN)
氮化铝陶瓷热导率为氧化铝陶瓷的 6 ~ 8 倍,但热膨胀系数只有其 50%,此外还具有绝缘强度高、介电常数低、耐腐蚀性好等优势。除了成本较高外,氮化铝陶瓷综合性能均优于氧化铝陶瓷,是一种非常理想的电子封装基片材料,尤其适用于导热性能要求较高的领域。
氮化硅陶瓷 (Si3N4)
在现有可作为基板材料使用的陶瓷材料中,Si3N4 陶瓷抗弯强度高 (大于 800 MPa),耐磨性好,是综合机械性能最好的陶瓷材料,同时其热膨胀系数最小,因而被认为是一种很有潜力的功率器件封装基片材料。但是其制备工艺复杂,成本较高,热导率偏低,主要适合应用于强度要求较高但散热要求不高的领域。
氧化铍 (BeO)
BeO 材料密度低,热导率高,具有良好的综合性能。但是,BeO 材料也存在一些不足,包括:(1) BeO 粉体具有毒性,人体大量吸入后将导致急性肺炎,长期吸入会引起慢性铍肺病,因此在生产过程中要采用特殊防护措施;(2) BeO 烧结温度高达1900°C 以上,生产成本高;(3) 热导率随着温度升高而降低,如在 0°C ~ 600°C 温度范围内,BeO陶瓷平均热导率为 206.67 W/(m·K),但当温度升高到 800°C 时,其热导率降低为十分之一[21],上述原因限制了氧化铍的推广应用。但在某些大功率、高频半导体器件以及航空电子设备和卫星通讯中,为了追求高导热和理想高频特性,仍在采用 BeO 陶瓷基片。

其它陶瓷基片材料
除了上述陶瓷材料外,碳化硅 (SiC)、氮化硼 (BN) 等也都可作为陶瓷基片材料。表1对几种常用的陶瓷基片材料性能进行了对比。


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