Materiały i cechy ceramicznych substratów

Wraz z postępem i rozwojem technologii prąd operacyjny, temperatura pracy i częstotliwość w urządzeniach stopniowo stają się wyższe. Aby spełnić niezawodność urządzeń i obwodów, podano wyższe wymagania dla nośników ChIP. Podłoża ceramiczne są szeroko stosowane w tych dziedzinach ze względu na ich doskonałe właściwości termiczne, właściwości mikrofalowe, właściwości mechaniczne i wysoką niezawodność.

Obecnie głównymi materiałami ceramicznymi stosowanymi w podłożach ceramicznych są: glinowa (AL2O3), azotek glinu (ALN), azotek krzemu (SI3N4), węgiel krzemowy (SIC) i tlenek berylu (Beo).

Materiał _		Przewodność cieplna	czystości
(	W	/	km	)	Względna
intensywność	pola stałego elektrycznego	(	kv /mm^(-1))
Znacznie szersze aplikacje
ALN	99%	150	8,9	15	Wyższa wydajność, Ale wyższy koszt
Beo	99%	310	6,4	10	proszek o wysoce toksycznym, limit do użycia
SI3N4	99%	106	9,4	100	Optymalna ogólna wydajność
SIC	99%	270	40	0,7	Dopasuj tylko do zastosowań o niskiej częstotliwości

Zobaczmy krótkie cechy tych 5 zaawansowanych ceramiki podłoża w następujący sposób:

1. Alumina (AL2O3)

Jednorodne polikryształy Al2O3 mogą osiągnąć więcej niż 10 rodzajów, a główne typy kryształów są następujące: α-Al2O3, β-Al2O3, γ-Al2O3 i ZTA-Al2O3. Wśród nich α-Al2O3 ma najniższą aktywność i jest najbardziej stabilny wśród czterech głównych kryształów, a jego komórka jednostkowa jest spiczastym rombohedronem, należącym do sześciokątnego układu kryształu. Struktura α-Al2O3 jest ciasna, struktura korundowa, może istnieć stabilnie we wszystkich temperaturach; Gdy temperatura osiągnie 1000 ~ 1600 ° C, inne warianty nieodwracalnie przekształcą się w α-Al2O3.

Rycina 1: Mikrostrutra krystaliczna AL2O3 pod SEM

Wraz ze wzrostem frakcji masy Al2O3 i zmniejszeniem odpowiedniej frakcji masy fazowej szklanej, przewodność cieplna ceramiki Al2O3 rośnie szybko, a gdy frakcja masy Al2O3 osiąga 99%, jej przewodność cieplna jest podwojona w porównaniu z frakcją masy 90%.

Chociaż zwiększenie frakcji masowej Al2O3 może poprawić ogólną wydajność ceramiki, zwiększa również temperaturę ceramiki, co pośrednio prowadzi do wzrostu kosztów produkcji.

2. Aluminiowy azotek (ALN)

ALN jest rodzajem związku grupy ⅲ-V ze strukturą wurtzitu. Jego komórką jednostkową jest tetrahedron Aln4, który należy do sześciokątnego układu kryształu i ma silne wiązanie kowalencyjne, więc ma doskonałe właściwości mechaniczne i wysoką wytrzymałość na zginanie. Teoretycznie jego gęstość kryształów wynosi 3,2611 g/cm3, więc ma wysoką przewodność cieplną, a czysty kryształ ALN ma przewodność cieplną 320 W/(m · k) w temperaturze pokojowej, a przewodność cieplną wypalonej ALN wypalonej na gorąco ALN Podłoże może osiągnąć 150 W/(M · K), co jest ponad 5 razy więcej niż Al2O3. Współczynnik rozszerzalności cieplnej wynosi 3,8 × 10-6 ~ 4,4 × 10-6/℃, który jest dobrze dopasowany do współczynnika rozszerzalności termicznej materiałów chipowych półprzewodnikowych, takich jak SI, SIC i GAA.

Ryc. 2: Proszek azotku aluminiowego

Ceramika ALN ma wyższą przewodność cieplną niż ceramika AL2O3, która stopniowo zastępuje ceramikę Al2O3 w elektronice mocy o dużej mocy i innych urządzeniach wymagających wysokiego przewodzenia ciepła i ma szerokie perspektywy zastosowania. Ceramika ALN jest również uważana za preferowany materiał dla okna dostarczania energii z próżni urządzeń elektronicznych z powodu niskiego wtórnego współczynnika emisji elektronów.

3. azotek silikonowy (SI3N4)

SI3N4 jest kowalencyjnie związanym związkiem z trzema strukturami krystalicznymi: α-SI3N4, β-SI3N4 i γ-SI3N4. Wśród nich α-SI3N4 i β-SI3N4 są najczęstszymi postaciami kryształowymi o strukturze heksagonalnej. Przewodność cieplna pojedynczego kryształu SI3N4 może osiągnąć 400 W/(M · K). Jednak ze względu na jego przenoszenie ciepła fononowe występują wady sieci, takie jak wakat i zwichnięcie w rzeczywistej sieci, a zanieczyszczenia powodują wzrost rozpraszania fononu, więc przewodność cieplna rzeczywistej ceramiki wynosi tylko około 20 W/(m · k) . Optymalizując proces proporcji i spiekania, przewodność cieplna osiągnęła 106 W/(M · K). Współczynnik rozszerzania cieplnego SI3N4 wynosi około 3,0 × 10-6/ c, który jest dobrze dopasowany do materiałów SI, SIC i GAAS, dzięki czemu ceramika SI3N4 jest atrakcyjnym ceramicznym materiałem podłoża do wysokiej przewodności cieplnej urządzeń elektronicznych.

Rycina 3: Proszek azotku krzemu

Wśród istniejących podłożów ceramicznych podłoża ceramiczne SI3N4 są uważane za najlepsze materiały ceramiczne o doskonałych właściwościach, takich jak wysoka twardość, wysoka wytrzymałość mechaniczna, oporność w wysokiej temperaturze i stabilność termiczna, niska stała dielektryczna i utrata dielektryczna, odporność na zużycie i odporność na korozję. Obecnie jest faworyzowany w opakowaniu modułu IGBT i stopniowo zastępuje podłoża ceramiczne Al2O3 i ALN.

4. węglika Silicon (sic)

Pojedynczy kryształ SIC jest znany jako materiał półprzewodnikowy trzeciej generacji, który ma zalety dużej szczeliny pasmowej, wysokiego napięcia rozpadu, wysokiej przewodności cieplnej i wysokiej prędkości nasycenia elektronów.

Dodając niewielką ilość BEO i B2O3 do SIC w celu zwiększenia jego rezystywności, a następnie dodając odpowiednie dodatki spiekania w temperaturze powyżej 1900 ℃ Za pomocą spiekania naciskania na gorąco, możesz przygotować gęstość ponad 98% ceramiki SIC. Przewodnictwo termiczne ceramiki SIC o różnej czystości przygotowanej różnymi metodami i dodatkami wynosi 100 ~ 490 W/(m · k) w temperaturze pokojowej. Ponieważ stała dielektryczna ceramiki SIC jest bardzo duża, nadaje się tylko do zastosowań o niskiej częstotliwości i nie nadaje się do zastosowań o wysokiej częstotliwości.

5. Beryllia (Beo)

Beo to struktura wurtzitu, a komórka to sześcienny układ kryształowy. Jego przewodność cieplna jest bardzo wysoka, frakcja masy beo 99% ceramiki Beo, w temperaturze pokojowej, jego przewodność cieplna (przewodność cieplna) może osiągnąć 310 W/(M · K), około 10 razy więcej przewodności cieplnej tej samej ceramiki czystości Al2O3. Ma nie tylko bardzo dużą pojemność przenoszenia ciepła, ale ma również niską stałą dielektryczną i stratę dielektryczną oraz wysoką izolację i właściwości mechaniczne, ceramika Beo są preferowanym materiałem w stosowaniu urządzeń o dużej mocy i obwodów wymagających wysokiej przewodności cieplnej.

Rycina 5: Struktura krystaliczna Beryllii

Wysoka przewodność cieplna i niskie charakterystyki utraty Beo są jak dotąd niezrównane przez inne materiały ceramiczne, ale Beo ma bardzo oczywiste niedociągnięcia, a jego proszek jest wysoce toksyczny.

Obecnie powszechnie stosowane ceramiczne materiały podłoża w Chinach są głównie AL2O3, ALN i SI3N4. Ceramiczny podłoże wykonane za pomocą technologii LTCC może zintegrować pasywne komponenty, takie jak rezystory, kondensatory i induktory w trójwymiarowej strukturze. W przeciwieństwie do integracji półprzewodników, które są przede wszystkim urządzeniami aktywnymi, LTCC ma możliwości połączeń międzyokonnect o dużej gęstości.