Матеріали та характеристики керамічних субстратів

З прогресом та розвитком технології робочий струм, робоча температура та частота на пристроях поступово зростають. Для задоволення надійності пристроїв та ланцюгів були висунуті більш високі вимоги для перевізників мікросхем. Керамічні субстрати широко використовуються в цих полях через їх чудові теплові властивості, мікрохвильові властивості, механічні властивості та високу надійність.

В даний час основними керамічними матеріалами, що використовуються в керамічних підкладках, є: глинозем (Al2O3), алюмінієвий нітрид (ALN), нітрид кремнію (SI3N4), карбід кремнію (SIC) та оксид берилію (BEO).

Мізерний _	Чистота	теплопровідність (З/км)	Відносна електрична постійна	інтенсивність поля (кВ/мм^(-1))	Коротка комісія Nt S
Al2O3	99%	29	9,7	10	найкращих показників витрат, Набагато ширші програми
aln	99%	150	8,9	15	Вища продуктивність, але більша вартість
Beo	99%	310	6,4	10	порошку з високотоксичним, обмеженим для використання
SI3N4	99%	106	9,4	100	Оптимальна загальна продуктивність
SIC	99%	270	40	0,7	придатна лише для низькочастотних застосувань

Давайте подивимось короткі характеристики цих 5 вдосконалених кераміки для субстратів наступним чином:

1. глинозем (Al2O3)

Гомогенні полікристали Al2O3 можуть досягати більш ніж 10 видів, а основні типи кристалів такі: α-Al2O3, β-Al2O3, γ-Al2O3 та ZTA-AL2O3. Серед них α-Al2O3 має найнижчу активність і є найбільш стабільним серед чотирьох основних кристалів, а його одинична клітина є загостреним ромбохедром, що належить до шестикутної кристалічної системи. Структура α-Al2O3 щільна, структура Corundum, може стабільно існувати при всіх температурах; Коли температура досягає 1000 ~ 1600 ° C, інші варіанти безповоротно перетвориться на α-Al2O3.

Малюнок 1: Кристалічна мікрострутура Al2O3 під SEM

Зі збільшенням масової фракції Al2O3 та зменшенням відповідної фракції маси скляної фази, теплопровідність кераміки Al2O3 швидко зростає, і коли масова фракція Al2O3 досягає 99%, її теплопровідність подвоюється порівняно з тим, коли масова фракція становить 90%.

Хоча збільшення масової частки Al2O3 може покращити загальну ефективність кераміки, це також збільшує температуру спікання кераміки, що опосередковано призводить до збільшення виробничих витрат.

2. Алюмінієвий нітрид (ALN)

ALN-це своєрідна групова сполука ⅲ-V із структурою Вурцит. Його одиничною клітиною є Tetrahedron Aln4, який належить до шестикутної кристалічної системи і має сильну ковалентну зв’язок, тому вона має чудові механічні властивості та високу міцність на вигин. Теоретично його кристалічна щільність становить 3,2611 г/см3, тому вона має високу теплопровідність, а чистий кристал Aln має теплопровідність 320 Вт/(м · к) при кімнатній температурі та теплопровідність гарячої тиску Aln Aln Підкладка може досягати 150 Вт/(м · к), що більше ніж у 5 разів перевищує Al2O3. Коефіцієнт теплового розширення становить 3,8 × 10-6 ~ 4,4 × 10-6/℃, що добре узгоджується з коефіцієнтом теплового розширення матеріалів напівпровідникових мікросхем, таких як SI, SIC та GAAS.

Малюнок 2: Порошок алюмінієвого нітриду

Кераміка ALN має більш високу теплопровідність, ніж кераміка Al2O3, яка поступово замінює кераміку Al2O3 у потужній електроніці та інших пристроях, що потребують високої теплопровідності, і має широкі перспективи застосування. Кераміка ALN також вважається кращим матеріалом для вікна доставки енергії вакуумних електронних пристроїв вакууму через їх низький вторинний коефіцієнт викидів електронів.

3. Нітрид кремнію (SI3N4)

SI3N4-ковалентно пов'язана сполука з трьома кристалічними структурами: α-SI3N4, β-SI3N4 та γ-SI3N4. Серед них α-SI3N4 та β-SI3N4 є найпоширенішими кристалічними формами, з шестикутною структурою. Теплопровідність монокристалічного SI3N4 може досягати 400 Вт/(м · к). Однак, завдяки своєму фононному теплопередачі, існують вади решітки, такі як вакансія та дислокація у фактичній решітці, і домішки викликають розсіювання фононів до збільшення, тому теплопровідність фактичної стрілецької кераміки становить лише близько 20 Вт/(м · к) . Оптимізуючи процес пропорції та спікання, теплопровідність досягла 106 Вт/(м · к). Коефіцієнт теплового розширення SI3N4 становить приблизно 3,0 × 10-6/ c, що добре узгоджується з матеріалами SI, SIC та GAAS, що робить кераміку SI3N4 привабливим матеріалом керамічного підкладки для електронних пристроїв з високою теплопровідністю.

Малюнок 3: Порошок нітриду кремнію

Серед існуючих керамічних субстратів, керамічні субстрати SI3N4 вважаються найкращими керамічними матеріалами з відмінними властивостями, такими як висока твердість, висока механічна міцність, висока температура та термічна стійкість, низька діелектрична постійна та діелектрична втрата, стійкість до зносу та стійкість до корозій. В даний час він надає перевагу в упаковці модуля IGBT і поступово замінює керамічні субстрати Al2O3 та ALN.

4. Силіконовий карбід (sic)

Моднористалічний SIC відомий як напівпровідниковий матеріал третього покоління, який має переваги великого проміжку смуги, високої напруги зриву, високої теплопровідності та високої швидкості насичення електронів.

Додавши невелику кількість BEO та B2O3 до SIC, щоб підвищити його опір, а потім додавши відповідні добавки для спікання в температурі вище 1900 ℃, використовуючи гаряче пресування, ви можете підготувати щільність понад 98% кераміки SIC. Теплопровідність кераміки SIC з різною чистотою, підготовленою різними методами спікання та добавками, становить 100 ~ 490 Вт/(м · к) при кімнатній температурі. Оскільки діелектрична константа кераміки SIC дуже велика, вона підходить лише для низькочастотних застосувань і не підходить для високочастотних застосувань.

5. Берилія (Beo)

BEO - це структура Вурцит, а клітина - кубічна кристалічна система. Його теплопровідність дуже висока, масова частка BEO 99% кераміки BEO, при кімнатній температурі її теплопровідність (теплопровідність) може досягати 310 Вт/(м · к), приблизно в 10 разів більше теплопровідності тієї ж кераміки чистоти Al2O3. Не тільки дуже висока ємність передачі тепла, але й має низьку діелектричну постійну та діелектричну втрату та високу ізоляцію та механічні властивості, кераміка BEO є кращим матеріалом у застосуванні пристроїв та схем високої потужності, що потребує високої теплопровідності.

Малюнок 5: Кристалічна структура Берилії

Високі теплопровідності та низькі характеристики втрат BEO поки що не мають собі рівних інших керамічних матеріалів, але BEO має дуже очевидні недоліки, а його порошок високотоксичний.

В даний час часто використовувані керамічні матеріали підкладки в Китаї - це в основному Al2O3, ALN та SI3N4. Керамічна підкладка, виготовлена ​​за допомогою технології LTCC, може інтегрувати пасивні компоненти, такі як резистори, конденсатори та індуктори в тривимірну структуру. На відміну від інтеграції напівпровідників, які в першу чергу є активними пристроями, LTCC має можливості проводки високої щільності 3D-взаємозв'язок.