半导体芯片的底座——绝缘衬底

半导体工程师 icfalab 2022.11.18

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。

来源：中科院半导体所；作者：Disciples

格力电器申请芯片连结专利，实现芯片与衬底的连接

金融界2024年4月29日消息，据国家知识产权局公告，珠海格力电器股份有限公司申请一项名为“一种芯片连结的工艺方法和一种芯片模组“，公开号CN117936397A，申请日期为2023年12月。

专利摘要显示，本发明提供了一种芯片连结的工艺方法和一种芯片模组，该工艺方法包括在DBC衬底的芯片焊接层的第一区域上逐层生长能够进行瞬态液相烧结的第一金属层和第二金属层；第一金属层为高熔点金属，第二金属层为低熔点金属，第一金属层的层数比第二金属层的层数多一；在DBC衬底的芯片焊接层的第二区域上印刷纳米金属焊膏，纳米金属焊膏的印刷厚度与第一区域的金属层总厚度相同；第二区域位于第一区域的外围；将芯片覆盖于连接层上，得到待烧结的组件；采用低于第二金属的熔点的预烧结温度对待烧结的组件进行预烧结，在高于第二金属层的熔点的烧结温度下对预烧结后的待烧结的组件进行烧结，从而实现芯片与衬底的连接。

本文源自金融界

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