另辟蹊径浅谈电阻技术之陶瓷基板篇

        说到陶瓷，一般人就很容易的联想到磁砖、陶瓷器皿、浴缸、或是景陶瓷艺术品，这些通称为传统陶瓷。

        而对于被动元件的基板，它们属于精细陶瓷（Fine Ceramics）。采用高纯度无机材料为原料，经过精确控制化学组成及均匀度，再经过一定方式成形，最后高温烧结而成。其具有足够高的机械强度，低介电常数，低热膨胀系数，高热导率，良好的化学稳定性等优点，得到了广泛的应用。

表 陶瓷基板的性质

        对于需求最为广泛的片式薄膜与厚膜电阻器来说，陶瓷基板材料的机械性能和电气性能对电阻膜层有非常大的影响，我们将从几个角度来介绍基板性能对电阻膜层的影响。

表面粗糙度

        表面粗糙度，是指连续表面上峰点、谷点与中心线的平均偏差，用Ra表示，单位为um。表面粗糙度越小，则表面越光滑。而基片表面粗糙度参数，对电阻膜层连续性有重要影响。举一个极端例子：对于薄膜电阻器，若薄膜膜层厚度仅为200Å~400Å（0.02um~0.04um），此厚度的膜层覆盖在1um（10000Å）的粗糙表面上，这种膜沿高山和深谷蔓延，结果是电阻器的阻值变化很大。有较大可能形成不完全的、断裂的、有裂纹的不连续膜。

 

介电损耗

        对于基板材料来说，其相关特性还有介电损耗。其由介电材料中极化电流滞后电压相位角的正切来表征，它与信号频率和电路分布参数C、R的关系是：

        δ称为损耗角。δ值大，信号会以发热的形式发送损耗，甚至消失，对于高频应用来说，介电损耗极为重要。

 

介电常数

        信号传输速度v与基板介电常数的平方根成反比。因此，对于高速回路，要求基板有更低的介电常数。

 

热导率

        一些大功率应用，对基板提出了高散热的要求，需要采用高热导率基板，如AlN基板和BeO基板等。对于电阻而言，采用高热导率基板可以实现相同尺寸下更大的额定功率。

 

热膨胀系数

        对于不同元件，对热膨胀系数要求不同。对于半导体芯片，要求基板的热膨胀系数与Si越接近越好，因此可以大大降低大规模集成电路运行-停止温度循环中产生的应力，此应用一般采用SiC基板。对于金属箔电阻而言，考虑到箔片热膨胀与陶瓷基板相匹配实现低温漂因素，基板的热膨胀系数需要重点考量。

 

陶瓷制造工艺

        陶瓷烧成前典型的成形方法为流延成型，容易实现多层化且生产效率较高。

电阻常用陶瓷基板

氧化铝陶瓷基板：

        从现实情况来看，广泛使用的还是Al2O3基板，同时其加工技术与其他材料相比也是最先进的。按含氧化铝(Al2O3)的百分数不同可分为：75瓷、96瓷、99.5瓷。氧化铝含有量不同，其电学性质几乎不受影响，但是其机械性能及热导率变化很大。纯度低的基板中玻璃相较多，表面粗糙度大。纯度越高的基板，越光洁、致密、介质损耗越低，但是价格也越高。

        所以薄膜电阻和厚膜电阻，他们所采用的氧化铝基板也不完全相同。

图 不同氧化铝含量的基板对比

氮化铝陶瓷基板：

        氮化铝陶瓷是以氮化铝粉体为主晶相的陶瓷。相比于氧化铝陶瓷基板，绝缘电阻、绝缘耐压更高，介电常数更低。其热导率是Al2O3的7~10倍，热膨胀系数（CTE）与硅片近似匹配，这对于大功率半导体芯片至关重要。在生产工艺上，AlN热导率受到残留氧杂质含量的影响很大，降低含氧量，可明显提高热导率。目前工艺生产水平的热导率达到170W/(m·K)以上已不成问题。

图 氧化铝基板与氮化铝基板特性对比

图 氧化铝基板与氮化铝基板特性对比

氮化铝陶瓷基板：

        氧化铍基板的热导率是Al2O3基板的十几倍，适用于大功率电路，而且介电常数又低，可用于高频电路。BeO基板用于一般用作大功率微波散热基板。缺点是BeO粉尘与蒸汽的毒性对人体伤害很大，存在环境问题。

图 基板的热导率与温度的关系

        我们对比了市面上相同尺寸（100mm×100mm×1mm）、不同材料的陶瓷基板价格：

        96%氧化铝9.5元，99%氧化铝18元，氮化铝150元，氧化铍650元，可以看出来不同的基板价格差距也比较大。