Materiais e características dos substratos cerámicos

Co progreso e desenvolvemento da tecnoloxía, a corrente de funcionamento, a temperatura e a frecuencia de traballo nos dispositivos foron aumentando gradualmente. Para cumprir a confiabilidade de dispositivos e circuítos, presentáronse requisitos máis altos para os transportistas de chip. Os substratos cerámicos son amplamente utilizados nestes campos debido ás súas excelentes propiedades térmicas, propiedades de microondas, propiedades mecánicas e alta fiabilidade.

Na actualidade, os principais materiais cerámicos empregados en substratos cerámicos son: alúmina (AL2O3), nitruro de aluminio (ALN), nitruro de silicio (SI3N4), carburo de silicio (SIC) e óxido de berilio (BEO).

Intensidade de campo disruptiva de maior custo

Ma terial		Condutividade térmica	de pureza	(W/km)	constante eléctrica relativa	( KV/mm^(-1))	Comme NT S
al2o3	99%	29	9,7	10	Mellor rendemento de custo, Aplicacións moito máis amplas
Aln	99%	150	8,9	15	rendemento maior, Pero
BEO
99%	310	6,4	10	po con altamente tóxico, límite para usar
SI3N4	99%	106	9,4	100	rendemento global óptimo
SIC	99%	270	40	0,7	Só se adapta só a aplicacións de baixa frecuencia

Vexamos as breves características destas 5 cerámicas avanzadas para os substratos do seguinte xeito:

1. Alumina (AL2O3)

Os policristalos homoxéneos Al2O3 poden chegar a máis de 10 tipos e os principais tipos de cristal son os seguintes: α-Al2O3, β-Al2O3, γ-Al2O3 e ZTA-Al2O3. Entre eles, α-Al2O3 ten a actividade máis baixa e é a máis estable entre as catro formas principais de cristal, e a súa célula unitaria é un romboedro apuntado, pertencente ao sistema de cristal hexagonal. A estrutura α-Al2O3 é axustada, a estrutura de corundum, pode existir de forma estable a todas as temperaturas; Cando a temperatura alcanza os 1000 ~ 1600 ° C, outras variantes transformaranse de xeito irreversiblemente en α-Al2O3.

Figura 1: Microtrutura de cristal de AL2O3 baixo SEM

Co aumento da fracción de masa Al2O3 e a diminución da fracción de masa de fase de vidro correspondente, a condutividade térmica da cerámica Al2O3 aumenta rapidamente e cando a fracción de masa Al2O3 alcanza o 99%, a súa condutividade térmica duplícase en comparación con aquela cando a fracción de masa 90%.

Aínda que aumentar a fracción masiva de AL2O3 pode mellorar o rendemento global da cerámica, tamén aumenta a temperatura de sinterización da cerámica, o que indirectamente leva a un aumento dos custos de produción.

2. Nitruro de aluminio (ALN)

ALN é unha especie de grupo ⅲ-V con grupo con estrutura de wurtzita. A súa célula unitaria é o tetraedro ALN4, que pertence ao sistema de cristal hexagonal e ten un enlace covalente forte, polo que ten excelentes propiedades mecánicas e alta resistencia á flexión. Teoricamente, a súa densidade de cristal é de 3.2611g/cm3, polo que ten unha alta condutividade térmica, e o puro cristal de ALN ten unha condutividade térmica de 320W/(M · K) a temperatura ambiente e a condutividade térmica da Aln disparada a presión quente quente O substrato pode chegar a 150W/(M · K), que é máis de 5 veces o de Al2O3. O coeficiente de expansión térmica é de 3,8 × 10-6 ~ 4,4 × 10-6/℃, que está ben combinado co coeficiente de expansión térmica de materiais de chip de semiconductor como SI, SIC e GaAs.

Figura 2: po de nitruro de aluminio

A cerámica ALN ten unha maior condutividade térmica que a cerámica Al2O3, que substitúe gradualmente a cerámica Al2O3 en electrónica de alta potencia e outros dispositivos que requiren unha alta condución de calor e ten amplas perspectivas de aplicación. A cerámica ALN tamén se considera como o material preferido para a xanela de entrega de enerxía dos dispositivos electrónicos de baleiro de enerxía debido ao seu baixo coeficiente de emisión de electróns secundarios.

3. Nitruro de silicio (SI3N4)

SI3N4 é un composto unido covalentemente con tres estruturas de cristal: α-Si3N4, β-SI3N4 e γ-Si3N4. Entre eles, α-Si3N4 e β-SI3N4 son as formas de cristal máis comúns, con estrutura hexagonal. A condutividade térmica do cristal único SI3N4 pode chegar a 400W/(M · K). Non obstante, debido á súa transferencia de calor fonónico, hai defectos de celosía como a vacante e a luxación na celosía real, e as impurezas provocan que aumente a dispersión de fonóns, polo que a condutividade térmica da cerámica disparada só é de aproximadamente 20W/(M · K) . Ao optimizar o proceso de proporción e sinterización, a condutividade térmica alcanzou os 106W/(M · K). O coeficiente de expansión térmica de SI3N4 é de aproximadamente 3,0 × 10-6/ C, que está ben combinado con materiais SI, SIC e GaAs, convertendo a cerámica SI3N4 un atractivo material de substrato de cerámica para dispositivos electrónicos de alta condutividade térmica.

Figura 3: po de nitruro de silicio

Entre os substratos cerámicos existentes, considéranse que os substratos cerámicos SI3N4 son os mellores materiais cerámicos con excelentes propiedades como a alta dureza, a alta resistencia mecánica, a alta resistencia á temperatura e a estabilidade térmica, a baixa constante dieléctrica e a perda dieléctrica, a resistencia ao desgaste e a resistencia á corrosión. Na actualidade, favorécese nos envases de módulos IGBT e substitúe gradualmente substratos cerámicos AL2O3 e ALN.

4.Silicon Carbide (sic)

Sic de cristal único é coñecido como material semiconductor de terceira xeración, que ten as vantaxes da gran fenda de banda, alta tensión de avaría, alta condutividade térmica e alta velocidade de saturación de electróns.

Ao engadir unha pequena cantidade de BEO e B2O3 a SIC para aumentar a súa resistividade e, a continuación, engadir os correspondentes aditivos de sinterización na temperatura superior a 1900 ℃ usando sinterización en prensado en quente, pode preparar a densidade de máis do 98% da cerámica SIC. A condutividade térmica da cerámica SIC con diferente pureza preparada por diferentes métodos de sinterización e aditivos é de 100 ~ 490W/(M · K) a temperatura ambiente. Debido a que a constante dieléctrica da cerámica SIC é moi grande, só é adecuada para aplicacións de baixa frecuencia e non é adecuada para aplicacións de alta frecuencia.

5. Beryllia (BEO)

O BEO é a estrutura de Wurtzite e a célula é un sistema de cristal cúbico. A súa condutividade térmica é moi alta, a fracción masiva de BEO de cerámica BEO do 99%, a temperatura ambiente, a súa condutividade térmica (condutividade térmica) pode chegar a 310W/(M · K), aproximadamente 10 veces a condutividade térmica da mesma cerámica de pureza AL2O3. Non só ten unha capacidade de transferencia de calor moi elevada, senón que tamén ten unha baixa constante dieléctrica e perda dieléctrica e altas propiedades de illamento e mecánicas, a cerámica BEO é o material preferido na aplicación de dispositivos e circuítos de alta potencia que requiren unha alta condutividade térmica.

Figura 5: Estrutura de cristal de Beryllia

A alta condutividade térmica e as características de baixa perda de BEO están ata agora inigualables por outros materiais cerámicos, pero BEO ten carencias moi evidentes, e o seu po é altamente tóxico.

Na actualidade, os materiais de substrato cerámico de uso común en China son principalmente AL2O3, ALN e SI3N4. O substrato cerámico feito por tecnoloxía LTCC pode integrar compoñentes pasivos como resistencias, condensadores e indutores na estrutura tridimensional. En contraste coa integración de semiconductores, que son principalmente dispositivos activos, LTCC ten capacidades de cableado de interconexión 3D de alta densidade.