Materijali i karakteristike keramičkih supstrata

S napretkom i razvojem tehnologije, radna struja, radna temperatura i učestalost uređaja postupno se povećavaju. Kako bi se ispunila pouzdanost uređaja i sklopova, viši zahtjevi su postavljeni za nosače čipova. Keramički supstrati široko se koriste u tim poljima zbog njihovih izvrsnih toplinskih svojstava, mikrovalnih svojstava, mehaničkih svojstava i velike pouzdanosti.

Trenutno su glavni keramički materijali koji se koriste u keramičkim supstratima: glinica (AL2O3), aluminijski nitrid (ALN), silikonski nitrid (SI3N4), silicijski karbid (SiC) i berilij oksid (BEO).

Matičan _		Toplinska vodljivost	čistoće	(W/km)	Relativna električna konstantna	razarajući intenzitet polja (kv/mm^(-1)	) Kratka proporcija
al2o3	99%	29	9,7	10	najboljih troškova, Mnogo šire aplikacije
ALN	99%	150	8,9	15	Viši učinak, Ali veće troškove
beo	99%	310	6.4	10	Prašak s vrlo toksičnim, ograničenjem za korištenje
SI3N4	99%	106	9.4	100	Optimalni ukupni učinak
SIC	99%	270	40	0.7	Samo za aplikacije niske frekvencije

Pogledajmo kratke karakteristike ovih 5 naprednih keramika za supstrate na sljedeći način:

1. GUMINA (AL2O3)

AL2O3 homogeni polikristali mogu doseći više od 10 vrsta, a glavni tipovi kristala su sljedeći: α-AL2O3, β-AL2O3, γ-AL2O3 i ZTA-AL2O3. Među njima, α-AL2O3 ima najnižu aktivnost i najstabilnija je među četiri glavna kristalna oblika, a njegova jedinična ćelija je šiljasti romboedron, koji pripada šesterokutnom kristalnom sustavu. α-AL2O3 struktura je tijesna, struktura korunda može postojati stabilno na svim temperaturama; Kad temperatura dosegne 1000 ~ 1600 ° C, druge će se varijante nepovratno transformirati u α-AL2O3.

Slika 1: Kristalna mikrostruktura AL2O3 pod SEM

S povećanjem masenog frakcije AL2O3 i smanjenjem odgovarajuće mase staklene fazne mase, toplinska vodljivost al2O3 keramike brzo se povećava, a kad masovni frakcija al2O3 dosegne 99%, njegova toplinska vodljivost se udvostručuje s onom kad je masovni frakcija 90%.

Iako povećanje masovnog udjela AL2O3 može poboljšati ukupne performanse keramike, to također povećava temperaturu sinteriranja keramike, što posredno dovodi do povećanja troškova proizvodnje.

2. Aluminijski nitrid (ALN)

ALN je vrsta grupe ⅲ-V spoj sa strukturom wurtzita. Njegova jedinična ćelija je ALN4 tetraedron, koji pripada šesterokutnom kristalnom sustavu i ima jaku kovalentnu vezu, tako da ima izvrsna mehanička svojstva i visoku čvrstoću savijanja. Teoretski, njegova gustoća kristala je 3,2611G/cm3, tako da ima visoku toplinsku vodljivost, a čisti ALN kristal ima toplinsku vodljivost od 320W/(m · k) na sobnoj temperaturi, a toplinska vodljivost ALN-a potaknutog vrućih pritiska Supstrat može doseći 150 W/(m · k), što je više od 5 puta više od AL2O3. Koeficijent toplinske ekspanzije je 3,8 × 10-6 ~ 4,4 × 10-6/℃, što je dobro usklađeno s koeficijentom toplinskog ekspanzije materijala za čip poluvodiča kao što su SI, SIC i GaAs.

Slika 2: Prašak aluminij nitrida

ALN keramika ima veću toplinsku vodljivost od AL2O3 keramike, koja postupno zamjenjuje al2O3 keramiku u elektroničkoj elektronici velike snage i drugim uređajima koji zahtijevaju visoku toplinsku provođenje, te ima široke izglede za primjenu. ALN keramika također se smatra preferiranim materijalom za prozor za isporuku energije energetskih vakuumskih elektroničkih uređaja zbog njihovog niskog koeficijenta emisije sekundarnog elektrona.

3. Silicij nitrid (Si3N4)

Si3n4 je kovalentno vezan spoj s tri kristalne strukture: α-Si3N4, β-Si3N4 i γ-Si3N4. Među njima su α-Si3n4 i β-Si3n4 najčešći kristalni oblici, s šesterokutnom strukturom. Toplinska vodljivost jednog kristalnog Si3n4 može doseći 400W/(m · K). Međutim, zbog svog fononskog prijenosa topline, postoje oštećenja rešetke kao što su slobodno mjesto i dislokacija u stvarnoj rešetki, a nečistoće uzrokuju povećanje fononskog raspršivanja, tako da je toplinska vodljivost stvarne ispaljene keramike samo oko 20W/(m · K) . Optimiziranjem postupka udjela i sinteriranja, toplinska vodljivost je dosegla 106 W/(m · k). Koeficijent toplinske ekspanzije Si3N4 iznosi oko 3,0 × 10-6/ c, što je dobro usklađeno sa SI, SIC i GaAS materijalima, što čini si3N4 keramiku atraktivnim keramičkim supstratom materijala za elektroničke uređaje s visokom toplinskom vodljivošću.

Slika 3: Prah silikonskog nitrida

Među postojećim keramičkim supstratima, SI3N4 keramički supstrati smatraju se najboljim keramičkim materijalima s izvrsnim svojstvima kao što su visoka tvrdoća, visoka mehanička čvrstoća, otpornost na visoku temperaturu i toplinska stabilnost, niska dielektrična konstanta i dielektrični gubitak, otpornost na habanje i otpornost na koroziju. Trenutno je favoriziran u pakiranju IGBT modula i postupno zamjenjuje AL2O3 i ALN keramičke supstrate.

4.Silicon karbid (sic)

Jedan kristalni SIC poznat je kao poluvodički materijal treće generacije, koji ima prednosti velikog razmaka pojasa, visokog napona raspada, visoke toplinske vodljivosti i velike brzine zasićenja elektrona.

Dodavanjem male količine BeO i B2O3 u SIC kako bi se povećao otpor, a zatim dodavanjem odgovarajućih aditiva za sintering na temperaturi iznad 1900 ℃ pomoću vrućeg pritiskanja sinteriranja, možete pripremiti gustoću veću od 98% sic keramike. Toplinska vodljivost SIC keramike s različitim čistoći pripremljenim različitim metodama sinteriranja i aditiva je 100 ~ 490W/(m · k) na sobnoj temperaturi. Budući da je dielektrična konstanta SIC keramike vrlo velika, prikladna je samo za aplikacije niske frekvencije i nije prikladna za aplikacije visokofrekventne frekvencije.

5. Berilija (beo)

Beo je struktura wurtzita, a stanica kubični kristalni sustav. Njegova toplinska vodljivost je vrlo visoka, BEO masovni udio od 99% beo keramike, na sobnoj temperaturi, njegova toplinska vodljivost (toplinska vodljivost) može dostići 310W/(m · k), oko 10 puta više od toplinske vodljivosti iste čistoće AL2O3 keramike. Ne samo da ima vrlo visok kapacitet prijenosa topline, već ima i nisku dielektričnu konstantu i dielektrični gubitak i visoku izolaciju i mehanička svojstva, beo keramika preferirani su materijal u primjeni uređaja velike snage i krugova koji zahtijevaju visoku toplinsku vodljivost.

Slika 5: Kristalna struktura berilije

Visoke toplinske vodljivosti i karakteristike niskog gubitka BeO -a do sada su neusporedive od drugih keramičkih materijala, ali BeO ima vrlo očite nedostatke, a prah je vrlo toksičan.

Trenutno su najčešće korišteni keramički supstrat materijali u Kini uglavnom AL2O3, ALN i SI3N4. Keramički supstrat koji je napravio LTCC Technology može integrirati pasivne komponente kao što su otpornici, kondenzatori i induktori u trodimenzionalnu strukturu. Za razliku od integracije poluvodiča, koji su prvenstveno aktivni uređaji, LTCC ima 3D mogućnosti ožičenja visoke gustoće.