Materiale și caracteristici ale substraturilor ceramice

Odată cu progresul și dezvoltarea tehnologiei, curentul de funcționare, temperatura de lucru și frecvența în dispozitive au devenit treptat mai mari. Pentru a face față dependenței dispozitivelor și circuitelor, au fost prezentate cerințe mai mari pentru transportatorii de cipuri. Substraturile ceramice sunt utilizate pe scară largă în aceste câmpuri, datorită proprietăților termice excelente, proprietăților cu microunde, proprietăților mecanice și fiabilității ridicate.

În prezent, principalele materiale ceramice utilizate în substraturi ceramice sunt: ​​alumina (Al2O3), nitrură de aluminiu (ALN), nitrură de siliciu (SI3N4), carbură de siliciu (SIC) și oxid de beriliu (BEO).

Intensitatea câmpului perturbator

Ma terial		Conductivitate termică	de puritate	(W/km)	constantă relativă	( kV/mm^(-1))	Scurtă Comme nt s
Al2O3	99%	29	9.7	10	Cele mai bune performanțe ale costurilor, Aplicații mult mai largi
ALN	99%	150	8,9	15	performanțe mai mari, Dar costul mai mare
Beo	99%	310	6,4	10	pulbere cu foarte toxic, limită pentru a utiliza
Si3n4	99%	106	9,4	100	Performanță generală optimă
SIC	99%	270	40	0,7	se potrivesc numai pentru aplicații de joasă frecvență

Să vedem caracteristicile scurte ale acestor 5 ceramice avansate pentru substraturi după cum urmează:

1. Alumina (Al2O3)

Policristalele omogene AL2O3 pot atinge mai mult de 10 tipuri, iar principalele tipuri de cristal sunt următoarele: α-Al2O3, β-Al2O3, γ-Al2O3 și ZTA-AL2O3. Printre ele, α-Al2O3 are cea mai mică activitate și este cea mai stabilă dintre cele patru forme principale de cristal, iar celula sa unitară este un romboedru ascuțit, aparținând sistemului de cristal hexagonal. Structura α-Al2O3 este strânsă, structura corundului poate exista stabil la toate temperaturile; Când temperatura atinge 1000 ~ 1600 ° C, alte variante se vor transforma ireversibil în α-al2O3.

Figura 1: Microstruta de cristal a Al2O3 sub SEM

Odată cu creșterea fracției de masă Al2O3 și scăderea fracției de masă de fază de sticlă corespunzătoare, conductivitatea termică a ceramicii Al2O3 crește rapid, iar când fracția de masă AL2O3 ajunge la 99%, conductivitatea termică este dublată în comparație cu atunci când fracția de masă este 90%.

Deși creșterea fracției de masă a Al2O3 poate îmbunătăți performanța generală a ceramicii, crește, de asemenea, temperatura de sinterizare a ceramicii, ceea ce duce indirect la o creștere a costurilor de producție.

2. Nitru de aluminiu (ALN)

ALN este un fel de compus de grup ⅲ-V cu structura wurtzite. Celula sa unitară este tetraedrul Aln4, care aparține sistemului de cristal hexagonal și are o legătură covalentă puternică, deci are proprietăți mecanice excelente și rezistență ridicată la îndoire. Teoretic, densitatea cristalului său este de 3.2611g/cm3, deci are o conductivitate termică ridicată, iar cristalul ALN pur are o conductivitate termică de 320W/(M · K) la temperatura camerei, iar conductivitatea termică a alnului cu foc presat la cald, aln cu foc, a fost apăsat la cald Aln, cu apăsat la cald, aln cu apăsat la cald, aln, cu apăsat la cald, Aln, cu apăsat la cald, aln, cu apăsat la cald, aln, cu apăsare la cald, aln, cu apăsat la cald, aln, cu apăsare la cald, aln, cu apăsat la cald, aln, cu apăsat la cald, aln, cu apăsat cald Substratul poate ajunge la 150W/(M · K), care este de peste 5 ori mai mare decât Al2O3. Coeficientul de expansiune termică este de 3,8 × 10-6 ~ 4,4 × 10-6/℃, care este bine asortat cu coeficientul de expansiune termică a materialelor cu cipuri cu semiconductor precum SI, SIC și GAAS.

Figura 2: Pulbere de nitrură de aluminiu

Ceramica ALN are o conductivitate termică mai mare decât ceramica AL2O3, care înlocuiește treptat ceramica AL2O3 în electronice de putere de mare putere și alte dispozitive care necesită o conducere ridicată la căldură și are perspective largi de aplicare. Ceramica ALN este, de asemenea, considerată ca materialul preferat pentru fereastra de livrare a energiei dispozitivelor electronice cu vid electronic, datorită coeficientului lor de emisie de electroni secundari mici.

3. Nitru de siliciu (SI3N4)

SI3N4 este un compus legat covalent cu trei structuri cristaline: α-SI3N4, β-Si3N4 și γ-SI3N4. Printre ele, α-SI3N4 și β-Si3N4 sunt cele mai frecvente forme de cristal, cu structură hexagonală. Conductivitatea termică a SI3N4 cu un singur cristal poate ajunge la 400W/(M · K). Cu toate acestea, datorită transferului său de căldură fononică, există defecte de zăpadă, cum ar fi vacanța și luxația în rețeaua reală, iar impuritățile determină creșterea împrăștierii fononului, astfel încât conductivitatea termică a ceramicii concediate este de aproximativ 20W/(M · K) . Prin optimizarea procesului de proporție și sinterizare, conductivitatea termică a ajuns la 106W/(M · K). Coeficientul de expansiune termică al SI3N4 este de aproximativ 3,0 × 10-6/ C, ceea ce este bine potrivit cu materialele Si, SiC și GaAs, ceea ce face ca ceramica SI3N4 să fie un material de substrat ceramic atractiv pentru dispozitive electronice de conductivitate termică ridicată.

Figura 3: Pulbere de nitrură de siliciu

Printre substraturile ceramice existente, substraturile ceramice SI3N4 sunt considerate a fi cele mai bune materiale ceramice cu proprietăți excelente, cum ar fi duritate ridicată, rezistență mecanică ridicată, rezistență la temperatură ridicată și stabilitate termică, pierdere dielectrică scăzută și pierdere dielectrică, rezistență la uzură și rezistență la coroziune. În prezent, este favorizat în ambalajul modulului IGBT și înlocuiește treptat substraturile ceramice AL2O3 și ALN.

4. CARBIDE SILICON (SIC)

S -a cunoscut un singur cristal SiC ca material semiconductor de a treia generație, care are avantajele decalajului de bandă mare, tensiunii de defalcare ridicate, conductivității termice mari și vitezei ridicate de saturație a electronilor.

Prin adăugarea unei cantități mici de Beo și B2O3 la SIC pentru a -și crește rezistivitatea, și apoi adăugând aditivii de sinterizare corespunzători la temperatura peste 1900 ℃ folosind sinterizarea presantă la cald, puteți pregăti densitatea a mai mult de 98% din ceramica SIC. Conductivitatea termică a ceramicii SIC cu puritate diferită pregătită prin diferite metode de sinterizare și aditivi este de 100 ~ 490W/(M · K) la temperatura camerei. Deoarece constanta dielectrică a ceramicii SIC este foarte mare, este potrivită numai pentru aplicații de frecvență joasă și nu este potrivită pentru aplicații de înaltă frecvență.

5. Beryllia (Beo)

BEO este structura wurtzite, iar celula este un sistem de cristal cubic. Conductivitatea sa termică este foarte mare, fracția de masă Beo din 99% ceramică Beo, la temperatura camerei, conductivitatea termică (conductivitatea termică) poate ajunge la 310W/(M · K), de aproximativ 10 ori conductivitatea termică a aceleiași puritate AL2O3 ceramică. Nu numai că are o capacitate foarte mare de transfer de căldură, dar are și pierderi dielectrice și dielectrice scăzute și de izolare ridicată și proprietăți mecanice, ceramica Beo sunt materialul preferat în aplicarea dispozitivelor și circuitelor cu putere mare care necesită o conductivitate termică ridicată.

Figura 5: Structura cristalină a beriliei

Conductivitatea termică ridicată și caracteristicile scăzute ale pierderii BEO sunt până acum de neegalat de alte materiale ceramice, dar Beo are deficiențe foarte evidente, iar pulberea sa este foarte toxică.

În prezent, materialele de substrat ceramice utilizate în China sunt în principal AL2O3, ALN și SI3N4. Substratul ceramic realizat de tehnologia LTCC poate integra componente pasive, cum ar fi rezistențe, condensatoare și inductori în structura tridimensională. Spre deosebire de integrarea semiconductorilor, care sunt în primul rând dispozitive active, LTCC are capacități de cablare interconectate 3D de înaltă densitate.