Materiály a vlastnosti keramických substrátov

S pokrokom a vývojom technológie sa prevádzkový prúd, pracovná teplota a frekvencia v zariadeniach postupne zvyšujú. Aby sa splnila spoľahlivosť zariadení a obvodov, boli predložené vyššie požiadavky pre nosiče čipov. Keramické substráty sa v týchto poliach široko používajú kvôli ich vynikajúcim tepelným vlastnostiam, mikrovlnným vlastnostiam, mechanickým vlastnostiam a vysokej spoľahlivosti.

V súčasnosti sú hlavnými keramickými materiálmi používanými v keramických substrátoch: alumina (AL2O3), hliníkový nitrid (ALN), nitrid kremíka (SI3N4), karbid kremíka (SIC) a oxid berylium (BEO).

Matný _	Čistota	tepelnej vodivosti (W/km)	Relatívna elektrická konštantná	intenzita rušivého poľa (KV/mm^(-1))	Stručná komora s
al2o3	99	%	29	9,7	10	Oveľa širšie aplikácie
Aln	99%	150	8,9	15	Vyšší výkon, Ale vyššie náklady
Beo	99%	310	6,4	10	Prášok s vysoko toxickým, limit na použitie
SI3N4	99%	106	9,4	100	Optimálny celkový výkon
SIC	99%	270	40	0,7	Fit iba pre nízkofrekvenčné aplikácie

Pozrime sa na stručné charakteristiky týchto 5 pokročilých keramiky pre substráty nasledovne:

1. Hliník (AL2O3)

AL2O3 homogénne polykryštály môžu dosiahnuť viac ako 10 druhov a hlavné typy kryštálov sú nasledujúce: a-al203, β-al203, y-AL2O3 a ZTA-AL2O3. Medzi nimi má a-Al2O3 najnižšiu aktivitu a je najstabilnejšia medzi štyrmi hlavnými kryštálovými formami a jej jednotková bunka je špicatý rhombohedron, ktorý patrí do hexagonálneho kryštálového systému. Štruktúra a-al2o3 je tesná, štruktúra korundum, môže existovať stabilne pri všetkých teplotách; Keď teplota dosiahne 1000 ~ 1600 ° C, ďalšie varianty sa nezvratne transformujú na a-al2o3.

Obrázok 1: Kryštálová mikrostrutúra AL2O3 v SEM

So zvýšením frakcie hmotnosti AL2O3 a poklesom frakcie zodpovedajúcej hmotnosti sklenenej fázy, tepelná vodivosť keramiky AL2O3 sa rýchlo stúpa a keď je hmotnostná frakcia AL2O3, jej tepelná vodivosť sa zdvojnásobí v porovnaní s hmotnostnou frakciou 90%.

Aj keď zvýšenie hmotnostnej frakcie AL2O3 môže zlepšiť celkovú výkonnosť keramiky, zvyšuje tiež spekajúcu teplotu keramiky, čo nepriamo vedie k zvýšeniu výrobných nákladov.

2. Hliníkový nitrid (ALN)

ALN je druh zlúčeniny skupiny ⅲ-V so štruktúrou wurtzitu. Jeho jednotkovou bunkou je Aln4 Tetrahedron, ktorý patrí do šesťuholníkového kryštálového systému a má silnú kovalentnú väzbu, takže má vynikajúce mechanické vlastnosti a vysokú pevnosť v ohybe. Teoreticky je jej hustota kryštálu 3,2611 g/cm3, takže má vysokú tepelnú vodivosť a čistý ALN Crystal má tepelnú vodivosť 320 W/(m · k) pri laboratórnej teplote a tepelnú vodivosť prepusteného ALN s hot Substrát môže dosiahnuť 150 W/(m · k), čo je viac ako 5 -násobok podložky AL2O3. Koeficient tepelnej expanzie je 3,8 × 10-6 ~ 4,4 × 10-6/℃, čo je dobre zladené s koeficientom tepelného expanzie polovodičových materiálov čipov, ako sú Si, SIC a GAAS.

Obrázok 2: Prášok nitridu hliníka

Keramika ALN má vyššiu tepelnú vodivosť ako keramika AL2O3, ktorá postupne nahrádza keramiku AL2O3 vo vysoko výkonnej elektronike a iných zariadeniach vyžadujúcich vysoké vedenie tepla a má široké vyhliadky na aplikáciu. Keramika ALN sa tiež považuje za uprednostňovaný materiál pre okno dodávky energie elektronických zariadení vo energii kvôli ich nízkemu koeficientu emisií sekundárnych elektrónov.

3. Nitrid kremíka (SI3N4)

SI3N4 je kovalentne viazaná zlúčenina s tromi kryštálovými štruktúrami: a-si3N4, p-si3N4 a y-si3n4. Medzi nimi sú a-si3N4 a p-si3n4 najbežnejšie kryštálové formy s hexagonálnou štruktúrou. Tepelná vodivosť jednokryštálového Si3N4 môže dosiahnuť 400 W/(M · K). Avšak kvôli jeho fonónu prenosu tepla existujú defekty mriežky, ako je neobsadené miesto a dislokácia v skutočnej mriežke, a nečistoty spôsobujú zvýšenie rozptylu fonónu, takže tepelná vodivosť skutočnej vystrelenej keramiky je iba asi 20 W/(m · k) . Optimalizáciou proporcie a procesu spekania dosiahla tepelná vodivosť 106 W/(M · K). Koeficient tepelnej expanzie SI3N4 je asi 3,0 × 10-6/ C, čo je dobre zladené s materiálmi SI, SIC a GAAS, vďaka čomu je keramika SI3N4 atraktívnym keramickým substrátovým materiálom pre elektronické zariadenia s vysokou tepelnou vodivosťou.

Obrázok 3: Prášok nitridu kremíka

Medzi existujúcimi keramickými substrátmi sa keramické substráty SI3N4 považujú za najlepšie keramické materiály s vynikajúcimi vlastnosťami, ako je vysoká tvrdosť, vysoká mechanická pevnosť, vysoký teplota odporu a tepelná stabilita, nízka dielektrická konštanta a dielektrická strata, odolnosť proti opotrebovaniu a odolnosť proti korózii. V súčasnosti sa uprednostňuje v balení modulov IGBT a postupne nahrádza keramické substráty AL2O3 a ALN.

4.Silikónový karbid (sic)

Jednokryštalický SIC je známy ako polovodičový materiál tretej generácie, ktorý má výhody veľkých pásov medzery, vysokého rozkladného napätia, vysokej tepelnej vodivosti a vysokej rýchlosti saturácie elektrónov.

Pridaním malého množstva Beo a B2O3 do SIC, aby ste zvýšili jeho odpor, a potom pridaním zodpovedajúcich spekajúcich prísad do teploty nad 1900 ℃ pomocou horúceho sintrovania môžete pripraviť hustotu viac ako 98% SIC keramiky. Tepelná vodivosť SIC keramiky s rôznou čistotou pripravenou rôznymi metódami spekania a prísadami je pri teplote miestnosti 100 ~ 490 W/(m · k). Pretože dielektrická konštanta SIC keramiky je veľmi veľká, je vhodná iba pre nízkofrekvenčné aplikácie a nie je vhodná pre vysokofrekvenčné aplikácie.

5. Beryllia (Beo)

Beo je štruktúra Wurtzite a bunka je kubický kryštalický systém. Jeho tepelná vodivosť je veľmi vysoká, hmotnostná frakcia Beo 99% Beo Ceramics, pri izbovej teplote, jej tepelná vodivosť (tepelná vodivosť) môže dosiahnuť 310 W/(m · k), čo je asi 10 -násobok tepelnej vodivosti rovnakej čistoty AL2O3 Ceramics. Má nielen veľmi vysokú kapacitu prenosu tepla, ale má tiež nízku dielektrickú konštantnú a dielektrickú stratu a vysoké izolácie a mechanické vlastnosti, ale keramika Beo je preferovaným materiálom pri aplikácii vysokorýchlostných zariadení a obvodov vyžadujúcich vysokú tepelnú vodivosť.

Obrázok 5: Kryštalická štruktúra beryllie

Vysoká tepelná vodivosť a charakteristiky nízkej straty Beo sú doteraz neprekonané inými keramickými materiálmi, ale Beo má veľmi zjavné nedostatky a jeho prášok je vysoko toxický.

V súčasnosti sú bežne používané materiály substrátu v Číne hlavne AL2O3, ALN a SI3N4. Keramický substrát vyrobený technológiou LTCC môže integrovať pasívne komponenty, ako sú rezistory, kondenzátory a induktory v trojrozmernej štruktúre. Na rozdiel od integrácie polovodičov, ktoré sú primárne aktívnymi zariadeniami, má LTCC schopnosti 3D prepojenia s vysokou hustotou.