随着电子技术的迅速发展，对电子器件用的封装材料的要求越来越高。陶瓷封装外壳作为一种高性能的电子封装材料，具有良好的热稳定性、机械强度、电性能和化学稳定性，能够满足现代电子设备在复杂环境下的高性能和高可靠性要求。在现代电子器件和设备中，封装外壳不仅要为芯片提供机械支撑和环境保护，还需要有效地散热以保证芯片的正常工作和可靠性。传统的封装材料如塑料和LTCC在某些高性能应用中已逐渐难以满足需求，而高导热的陶瓷封装外壳凭借其优异的高导热性能成为了研究热点。

高导热材料是陶瓷封装外壳高散热性能中最关键的部分。高温共烧陶瓷封装外壳高导热材料主要包括高热导率陶瓷材料和高热导率金属材料两个大类。

一、

高热导率陶瓷材料

陶瓷封装外壳最常用的陶瓷是氧化铝陶瓷，但是氧化铝陶瓷的热导率较低，而常用的封装外壳的高热导率陶瓷材料有氧化铍（BeO）、氮化铝（AlN）、氮化硅（Si3N4）等，氧化铝陶瓷与高热导率陶瓷材料的主要性能指标如表1所示。

表1：几种常用外壳陶瓷材料的主要性能

01.BeO陶瓷

BeO陶瓷材料的显著特点是有很高的热导率，99%BeO陶瓷的热导率可达285W•m/K以上。但是BeO陶瓷缺点是具有很强的毒性，在制备时要采取特殊的防护措施，并需要很高的烧结温度，这使得BeO的成本很高并且会对环境产生较大污染，限制了它的生产和应用，很多民用领域已经禁止了BeO陶瓷材料的应用。目前氧化铍陶瓷主要应用与军工和航空航天电子器件，比如高功率晶体管的散热片、在航空电子设备和卫星通讯中的BeO陶瓷基片。BeO陶瓷常用的金属化材料有钨、钼和锰等高温金属，主要用于陶瓷的表面金属化。

BeO陶瓷在陶瓷管壳上主要用于陶瓷底板，为大功率芯片提升导热性能。淮瓷科技公司开发的射频功率管管壳也用到了氧化铍陶瓷，产品照片如下图所示。

图1：BeO陶瓷管壳

02.AlN陶瓷

AlN陶瓷材料热导率很高、介电性能优良、电绝缘强度高、化学性能稳定、抗腐蚀能力强、机械性能好，尤其是它的热膨胀系数与硅较匹配等特点使其能够作为理想的半导体封装基板材料，在集成电路、微波功率器件、毫米波封装、高温电子封装等领域获得了广泛应用，适用于高功率、多引线和大尺寸芯片，是替代Al2O3、BeO材料的最好材料，氮化铝HTCC外壳照片如图2所示。

AlN陶瓷的应用前景十分广阔，但作为理想的基板材料，目前存在着材料成本高、高温下难致密烧结、生产中的重复性差等问题，但是随着国产氮化铝原材料的成本下降，以及氮化铝生产工艺技术的提升，氮化铝陶瓷的应用领域将越来越多。

AlN陶瓷的金属化材料通常为钨、钼等高温金属，AlN陶瓷可以作为高导热材料用于HTCC管壳的底板，用于大功率芯片的散热。淮瓷科技公司已经成功开发了氮化铝的HTCC产品，后续将逐步推向市场。

图2：氮化铝HTCC外壳

03.Si3N4陶瓷

Si3N4陶瓷理论热导率在200-300W•m/K，且还具有电绝缘性好、热膨胀系数与单晶硅相近、无毒等非常优异的性能，是一种理想的散热和封装材料。与AlN陶瓷相比，Si3N4陶瓷具有不可替代的优势，陶瓷的强度容易达到600MPa以上，强度是AlN陶瓷两倍以上，这意味着在相同散热量下，陶瓷片即使做得更薄也能满足强度的要求。虽然Si3N4陶瓷理论热导率较高，由于其烧结难度较大，助烧剂及烧结工艺对热导率影响很大，目前能够实现的Si3N4陶瓷实际热导率一般在60W•m/K左右。

另外，Si3N4陶瓷的烧结通常是热压烧结和气压烧结，烧结温度高、设备和工艺复杂，因此Si3N4陶瓷的成本较高影响了其在高导热管壳上的推广应用。目前Si3N4陶瓷主要用于AMB的陶瓷基板，如图3所示。

图3：Si3N4陶瓷基板

二、

高热导率金属材料

热导率较高的金属有铜、铝、银、铁、镍等，考虑成本、熔点等因素，比较适合做管壳导热材料的金属是铜、铁、镍，另外考虑金属与陶瓷热膨胀系数的匹配通常会在高热导率的金属基础上加入钨、钼等低热膨胀系数的金属材料形成合金或者复合金属材料来降低金属的热膨胀系数。目前应用于HTCC外壳的高导热金属材料有无氧铜、钨铜、钼铜、铜-钼-铜（CMC）、铜-钼铜-铜（CPC）等，部分常用高导热金属材料主要特性如表2所示。

表2：HTCC管壳常用高导热金属材料特性

01

无氧铜

无氧铜是指含氧量极低的纯铜，氧的含量不大于0.003%（TU1），无氧铜的牌号主要包括TU1、TUP和TUMn，其中TU1是最常用的无氧铜牌号之一，具有高导电性、高导热性、良好的加工和焊接性能以及优异的耐蚀和低温性能。无氧铜无氢脆现象，适合于氢气气氛下的钎焊。无氧铜用于HTCC封装外壳的缺点是热膨胀系数较高，与常用的氧化铝、氧化铍和氮化铝陶瓷的热膨胀系数不匹配，因此钎焊的应力较大，不适合较大尺寸外壳与陶瓷的直接钎焊。无氧铜的热导率高达401W/m·K，在小尺寸的陶瓷外壳作为散热热沉材料有很强的散热性能优势，图4所示为淮瓷公司研制生产的无氧铜电极同轴型陶瓷管壳。

图4：无氧铜电极陶瓷管壳

02

钨铜合金

钨铜合金是钨和铜组成的合金。常用合金的含铜量为10%～50%。合金用粉末冶金方法制取，具有很好的导电导热性，较好的高温强度和一定的塑性。由于钨铜两种金属互不相溶，因此钨铜合金具有钨的低膨胀性，耐磨性，抗腐蚀性及具备铜的高导电和导热性，并且适用于各种机械加工。钨铜合金可以根据用户要求进行对钨铜配比的生产和尺寸的加工。

钨铜合金（W85Cu15）的热膨胀系数于氧化铝陶瓷匹配，因此用于氧化铝HTCC封装外壳钎焊时应力较小，可靠性很高。钨铜合金的主要缺点是热导率通常不超过200W/m·K，并且密度比较高不适合于轻量化器件封装外壳的应用。图5所示为淮瓷公司研制生产的钨铜合金热沉的蝶形陶瓷外壳。

图5：钨铜热沉的蝶形陶瓷外壳

03

钼铜合金

钼铜合金，由于高导热性而作为HTCC封装外壳的热沉材料得到应用，与钨铜合金性能接近，钼铜合金的密度小于钨铜合金合金。钼铜合金综合铜和钼的优点，高强度、耐高温、耐电弧烧蚀、加工性能好。采用高品质钼粉及无氧铜粉，应用等静压成型(高温烧结-渗铜)，保证产品纯度及准确配比，组织细密，性能优异。断弧性能好，导电性好，导热性好，热膨胀小。钼铜合金的热导率通常不超过200W/m·K，不适合于导热性能要求很高的HTCC外壳。

04

铜-钼-铜(CMC)

铜-钼铜-铜(CPC)复合金属材料

CMC复合金属材料是一种层状夹心结构的金属复合材料，由中间的钼板和上下两层铜板复合在一起构成，其材料结构示意图如图6(A)所示。根据3层材料的厚度比例，CMC材料的牌号有CMC111、CMC121、CMC131、CMC141等，另外还有5层等比例厚度结构的S-CMC。根据厚度比例的不同，材料的热膨胀系数和热导率也有所不同，CMC热导率一般高于钨铜或者钼铜合金，其热膨胀系数和陶瓷也基本匹配。CMC对材料复合的工艺要求比较高，层与层直接需要很好的结合力，不能出现开裂分层等问题。

图6：CMC/CPC复合金属材料结构示意图

CPC复合金属材料的结构与CMC材料类似，只是中间的钼板改为钼铜合金板，如图6（B）。根据3层金属材料的厚度比例，CPC材料的牌号有CPC141、CPC232、CPC111、CPC212等。由于中间夹心的金属换成了钼铜合金，因此相同厚度比例的CPC的热导率要高于CMC，CPC复合金属材料的热导率一般在220-300W/m·K之间，是目前高导热HTCC封装外壳应用广泛的一种金属材料，比如射频功率管外壳大量应用了CPC热沉，下图所示为淮瓷公司研制生产的CPC热沉的射频功率管外壳。

图7：CPC热沉的射频功率管外壳

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