现代微电子技术发展异常迅速、电子系统及设备向大规模集成化、微型化、高效率、高可靠性等方向发展。电子系统集成度的提高将导致功率密度升高，以及电子元件和系统整体工作产生的热量增加，因此，有效的电子封装必须解决电子系统的散热问题。
目前常用的电子封装基片材料包括陶瓷基片、塑料基片、以及金属或金属基复合材料等。其中陶瓷由于具有绝缘性能好、化学性质稳定、热导率高、高频特性好等优点而最受瞩目，在销售额总量上占全部基片材料的50%。
电子封装陶瓷基片材料的特点
陶瓷基片是一种常用的电子封装基片材料，与塑封料和金属基片相比，其优势在于以下几个方面：
（1）绝缘性能好，可靠性高。高电阻率是电子元件对基片的基本要求，一般而言，基片电阻越大，封装可靠性越高，陶瓷材料一般都是共价键型化合物，其绝缘性能较好。
（2）介电系数较小，高频特性好。陶瓷材料的介电常数和介电损耗较低，可以减少信号延迟时间，提高传输速度。
（3）热膨胀系数小，热失配率低。共价键型化合物一般都具有高熔点特性，熔点越高，热膨胀系数越小，故陶瓷材料的热膨胀系数一般较小。
（4）热导率高。根据传统的传热理论，立方晶系的BeO、SiC和AIN等陶瓷材料，其理论热导率不亚于金属的。
几种电子封装陶瓷基片材料
目前已经投入生产应用的陶瓷基片主要包括氧化铍（BeO）、氧化铝（Al2O3）和氮化铝（AlN）、氮化硅（Si3N4）。
（1）BeO陶瓷基片
BeO是碱土金属氧化物中唯一的六方纤锌矿结构，由于BeO具有纤锌矿型和强共价键结构，而且相对分子质量很低，因此BeO具有极高的热导率。在现今使用的陶瓷材料中，室温下BeO的热导率最高。
BeO陶瓷的致命缺点是有剧毒性，长期吸入BeO粉尘会引起中毒甚至危及生命，并对环境造成污染，这极大影响了BeO陶瓷基片的生产和应用。
（2）Al2O3陶瓷基片
Al2O3陶瓷是指以Al2O3为主要原料，α-Al2O3 为主晶相，Al2O3含量在75%（质量分数）以上的各种陶瓷。Al2O3陶瓷具有原料来源丰富、价格低廉、机械强度和硬度较高、绝缘性能、耐热冲击性能和抗化学侵蚀性能良好、尺寸精度高、与金属附着力好等一系列优点，是一种综合性能较好的陶瓷基片材料。
虽然Al2O3陶瓷是目前最成熟的陶瓷基片材料，但其热导率较低，如99瓷Al2O3热导率仅为29W/(m·K)。此外，Al2O3热膨胀系数高达7.2×10-6/℃，与半导体芯片材料Si、SiC等的热膨胀系数相差较大，在冷热循环中容易累积内应力，大大增加了芯片失效概率。这些决定了Al2O3基片在高频、大功率、超大规模集成电路中的使用受到限制。
（3）AlN陶瓷基片
AlN晶体的晶格常数为 a=0.3110 nm，c=0.4890 nm，属六方晶系，是以[AlN4]四面体为结构单元的纤锌矿型共价键化合物，此结构决定了其优良的热性能、电性能和力学性能等。AlN陶瓷基片热导率可达150~230W/(m·K)，是Al2O3的8倍以上。另外，AlN的热膨胀系数为（3.8~4.4）×10-6/℃，与Si、SiC和GaAs等半导体芯片材料热膨胀系数匹配良好。
高成本是限制了AlN陶瓷广泛应用重要因素，目前AlN陶瓷基片主要应用于高端产业。此外AlN虽然具有优秀的导热性能和与半导体材料相匹配的线膨胀系数，但是其力学性能较差，如其抗弯强度只有300MPa。在复杂的力学环境下，AlN基片易发生损坏，更增加了使用成本。
（4）Si3N4陶瓷基片
Si3N4具有3种结晶结构，分别是α相、β相和γ相，其中α相和β相是Si3N4最常见的形态，均为六方结构。Si3N4陶瓷具有硬度大、强度高、热膨胀系 数小、高温蠕变小、抗氧化性能好、热腐蚀性能好、摩擦系数小等诸多优异性能，是综合性能最好的结构陶瓷材料。单晶氮化硅的理论热导率可达400W/(m·K)，具有成为高导热基片的潜力。此外Si3N4的热膨胀系数为3.0×10-6℃左右，与Si、SiC和GaAs等材料匹配良好，这使陶瓷成为一种极具有吸引力的高强高导热电子器件基板材料。
三种陶瓷基板材料物理力学性能对比
由上表可以看出，与其他陶瓷材料相比，Si3N4陶瓷材料具有明显优势，尤其是在高温条件下氮化硅陶瓷材料表现出的耐高温性能、对金属的化学惰性、超高的硬度和断裂韧性等力学性能。
参考资料：
李婷婷等.电子封装陶瓷基片材料的研究进展
张伟儒等.半导体器件用陶瓷基片材料发展现状
