另辟蹊徑淺談電阻技術之陶瓷基板篇
作者：開步睿思 發表日期：2018-07-27 13:45:04
說到陶瓷，一般人就很容易的聯想到磁磚、陶瓷器皿、浴缸、或是景陶瓷藝術品，這些通稱為傳統陶瓷。
而對于被動元件的基板，它們屬于精細陶瓷（Fine Ceramics）。采用高純度無機材料為原料，經過精確控制化學組成及均勻度，再經過一定方式成形，最后高溫燒結而成。其具有足夠高的機械強度，低介電常數，低熱膨脹系數，高熱導率，良好的化學穩定性等優點，得到了廣泛的應用。
表 陶瓷基板的性質
對于需求最為廣泛的片式薄膜與厚膜電阻器來說，陶瓷基板材料的機械性能和電氣性能對電阻膜層有非常大的影響，我們將從幾個角度來介紹基板性能對電阻膜層的影響。
表面粗糙度
表面粗糙度，是指連續表面上峰點、谷點與中心線的平均偏差，用Ra表示，單位為um。表面粗糙度越小，則表面越光滑。而基片表面粗糙度參數，對電阻膜層連續性有重要影響。舉一個極端例子：對于薄膜電阻器，若薄膜膜層厚度僅為200?~400?（0.02um~0.04um），此厚度的膜層覆蓋在1um（10000?）的粗糙表面上，這種膜沿高山和深谷蔓延，結果是電阻器的阻值變化很大。有較大可能形成不完全的、斷裂的、有裂紋的不連續膜。
介電損耗
對于基板材料來說，其相關特性還有介電損耗。其由介電材料中極化電流滯后電壓相位角的正切來表征，它與信號頻率和電路分布參數C、R的關系是：
δ稱為損耗角。δ值大，信號會以發熱的形式發送損耗，甚至消失，對于高頻應用來說，介電損耗極為重要。
介電常數
信號傳輸速度v與基板介電常數的平方根成反比。因此，對于高速回路，要求基板有更低的介電常數。
熱導率
一些大功率應用，對基板提出了高散熱的要求，需要采用高熱導率基板，如AlN基板和BeO基板等。對于電阻而言，采用高熱導率基板可以實現相同尺寸下更大的額定功率。
熱膨脹系數
對于不同元件，對熱膨脹系數要求不同。對于半導體芯片，要求基板的熱膨脹系數與Si越接近越好，因此可以大大降低大規模集成電路運行-停止溫度循環中產生的應力，此應用一般采用SiC基板。對于金屬箔電阻而言，考慮到箔片熱膨脹與陶瓷基板相匹配實現低溫漂因素，基板的熱膨脹系數需要重點考量。
陶瓷制造工藝
陶瓷燒成前典型的成形方法為流延成型，容易實現多層化且生產效率較高。
電阻常用陶瓷基板
氧化鋁陶瓷基板：
從現實情況來看，廣泛使用的還是Al2O3基板，同時其加工技術與其他材料相比也是最先進的。按含氧化鋁(Al2O3)的百分數不同可分為：75瓷、96瓷、99.5瓷。氧化鋁含有量不同，其電學性質幾乎不受影響，但是其機械性能及熱導率變化很大。純度低的基板中玻璃相較多，表面粗糙度大。純度越高的基板，越光潔、致密、介質損耗越低，但是價格也越高。
所以薄膜電阻和厚膜電阻，他們所采用的氧化鋁基板也不完全相同。
不同氧化鋁含量的基板對比
氮化鋁陶瓷基板：
氮化鋁陶瓷是以氮化鋁粉體為主晶相的陶瓷。相比于氧化鋁陶瓷基板，絕緣電阻、絕緣耐壓更高，介電常數更低。其熱導率是Al2O3的7~10倍，熱膨脹系數（CTE）與硅片近似匹配，這對于大功率半導體芯片至關重要。在生產工藝上，AlN熱導率受到殘留氧雜質含量的影響很大，降低含氧量，可明顯提高熱導率。目前工藝生產水平的熱導率達到170W/(m·K)以上已不成問題。
圖 氧化鋁基板與氮化鋁基板特性對比
圖 氧化鋁基板與氮化鋁基板特性對比
氮化鋁陶瓷基板：
氧化鈹基板的熱導率是Al2O3基板的十幾倍，適用于大功率電路，而且介電常數又低，可用于高頻電路。BeO基板用于一般用作大功率微波散熱基板。缺點是BeO粉塵與蒸汽的毒性對人體傷害很大，存在環境問題。
圖 基板的熱導率與溫度的關系
我們對比了市面上相同尺寸（100mm×100mm×1mm）、不同材料的陶瓷基板價格：
96%氧化鋁9.5元，99%氧化鋁18元，氮化鋁150元，氧化鈹650元，可以看出來不同的基板價格差距也比較大。