A kerámia szubsztrátok anyagai és jellemzői

A technológia fejlődésével és fejlődésével, a működési áram, az eszközök működési hőmérséklete és frekvenciája fokozatosan magasabb szintű. Az eszközök és áramkörök megbízhatóságának teljesítése érdekében magasabb követelményeket tettek a chipszállítók számára. A kerámia szubsztrátokat ezeken a területeken széles körben használják, kiváló hőtulajdonságuk, mikrohullámú tulajdonságaik, mechanikai tulajdonságaik és nagy megbízhatóságuk miatt.

Jelenleg a kerámia szubsztrátokban használt fő kerámia anyagok: alumínium -oxid (AL2O3), alumínium -nitrid (ALN), szilícium -nitrid (SI3N4), szilícium -karbid (sIC) és berillium -oxid (Beo).

De

Masterialis _	Tisztasági	hővezető képesség (W/km)	relatív elektromos állandó	zavaró mező intenzitása (kv/mm^(-1))	Rövid comme s
AL2O3	99%	29	9,7	10	legjobb költségteljesítmény, Sokkal szélesebb alkalmazások
Aln	99%	150	8,9	15	magasabb teljesítmény,
a
magasabb költségek
99	%	310	6,4	10 Por
,	erősen	toxikus	,	korlátozott	az
SI3N4	99	%	106	9.4	használatához

Lássuk az 5 fejlett kerámia rövid jellemzőit a szubsztrátok számára:

1. alumínium -oxid (Al2O3)

Az AL2O3 homogén polikristályok több mint 10 fajtát érhetnek el, és a fő kristálytípusok a következők: α-AL2O3, β-AL2O3, γ-AL2O3 és ZTA-AL2O3. Közülük az α-Al2O3 a legalacsonyabb aktivitással rendelkezik, és a legstabilabb a négy fő kristályforma közül, és az egységcellája egy hegyes romboedron, amely a hatszögletű kristályrendszerhez tartozik. Az α-AL2O3 szerkezete szoros, a Corundum szerkezete stabilan létezhet minden hőmérsékleten; Amikor a hőmérséklet eléri az 1000 ~ 1600 ° C-ot, más variánsok visszafordíthatatlanul átalakulnak α-al2O3-ként.

1. ábra: Az AL2O3 kristály mikroszála SEM alatt

Az Al2O3 tömegfrakció növekedésével és a megfelelő üvegfázisú tömegfrakció csökkenésével az Al2O3 kerámia hővezető képessége gyorsan növekszik, és amikor az AL2O3 tömegfrakció eléri a 99%-ot, annak hővezető képessége megduplázódik, amikor a tömegfrakció van 90%.

Noha az Al2O3 tömegfrakciójának növelése javíthatja a kerámia általános teljesítményét, ez növeli a kerámia szinterelési hőmérsékletét is, ami közvetett módon a termelési költségek növekedéséhez vezet.

2. Alumínium -nitrid (ALN)

Az ALN egyfajta ⅲ-V csoport, wurtzitszerkezetű vegyület. Az egységcellája az ALN4 tetraéder, amely a hatszögletű kristályrendszerhez tartozik, és erős kovalens kötéssel rendelkezik, tehát kiváló mechanikai tulajdonságokkal és nagy hajlítási szilárdsággal rendelkezik. Elméletileg kristálysűrűsége 3,2611g/cm3, tehát nagy a hővezető képességgel, és a tiszta ALN kristály hővezetőképessége 320W/(m · k) szobahőmérsékleten, és a melegen sajtolt Aln hővezető képessége A szubsztrát elérheti a 150W/(M · K), amely több mint ötszörösére növekszik az Al2O3 -nál. A termikus tágulási együttható 3,8 × 10-6 ~ 4,4 × 10-6/℃, amely jól illeszkedik a félvezető chip anyagok, például SI, SIC és GAAS hőtágulási együtthatójával.

2. ábra: Alumínium -nitrid por

Az ALN kerámiák magasabb hővezetőképességgel rendelkeznek, mint az Al2O3 kerámiák, amely fokozatosan helyettesíti az AL2O3 kerámiát a nagy teljesítményű elektronikában és más, nagy hővezetést igénylő eszközökben, és széles körű alkalmazási kilátásokkal rendelkezik. Az ALN -kerámiákat az alacsony szekunder elektronkibocsátási együtthatójuk miatt az energiaszállító elektronikus eszközök energiaszállító ablakának előnyben részesített anyagának tekintik.

3. Szilícium -nitrid (SI3N4)

Az SI3N4 egy kovalensen kötött vegyület három kristályszerkezetgel: α-Si3N4, β-Si3N4 és γ-Si3N4. Közülük az α-Si3N4 és β-Si3N4 a leggyakoribb kristályformák, hatszögletű szerkezetű. Az egykristályos Si3N4 termikus vezetőképessége elérheti a 400W/(M · K). A fonon hőátadásának köszönhetően azonban olyan rácshibák vannak, mint például a megüresedettség és a diszlokáció a tényleges rácsban, és a szennyeződések növelik a fonon szórást, tehát a tényleges lövöldözött kerámia hővezető képessége csak körülbelül 20W/(M · K) - Az arányos és szinteredési folyamat optimalizálásával a hővezető képesség elérte a 106W/(M · K). A Si3N4 termikus tágulási együtthatója körülbelül 3,0 × 10-6/ c, amely jól illeszkedik a SI, SIC és GAAS anyagokkal, így az SI3N4 kerámia vonzó kerámia szubsztrát anyaggá teszi a nagy hővezető képesség-elektronikus eszközöket.

3. ábra: Szilícium -nitrid por

A meglévő kerámia szubsztrátok közül az SI3N4 kerámia szubsztrátokat a legjobb kerámia anyagnak tekintik, kiváló tulajdonságokkal, például nagy keménységgel, nagy mechanikai szilárdsággal, magas hőmérsékleti ellenállással és hőstabilitással, alacsony dielektromos állandó és dielektromos veszteség, kopásállóság és korrózióállóság. Jelenleg az IGBT modulcsomagolásban részesítik előnyben, és fokozatosan helyettesíti az Al2O3 és az ALN kerámia szubsztrátokat.

4.Silicon Carbide (sic)

Az egykristályos SIC -t harmadik generációs félvezető anyagnak nevezik, amelynek előnyei vannak a nagy sávrés, a nagy bontási feszültség, a nagy hővezető képesség és a nagy elektrontelítettségi sebesség.

Ha kis mennyiségű BEO -t és B2O3 -at adunk hozzá a SIC -hez, hogy növelje ellenállását, majd hozzáadja a megfelelő szinterelési adalékanyagokat az 1900 feletti hőmérsékleten, forró sajtó -szintereléssel, a SIC kerámia több mint 98% -ának sűrűségét készítheti. A SIC -kerámia hővezető képessége, különböző tisztaságú, különféle szinterezési módszerekkel és adalékanyagokkal, 100 ~ 490W/(m · k) szobahőmérsékleten. Mivel a SIC kerámia dielektromos állandója nagyon nagy, csak alacsony frekvenciájú alkalmazásokhoz alkalmas, és nem alkalmas nagyfrekvenciás alkalmazásokra.

5. Beryllia (Beo)

A Beo wurtzit szerkezetű, a cella köbös kristályrendszer. Hővezető képessége nagyon magas, a BEO tömegfrakció 99% -os BEO kerámia, szobahőmérsékleten a hővezető képesség (hővezető képesség) elérheti a 310W/(M · K) -et, körülbelül tízszeresére ugyanazon tisztaságú al2O3 kerámia hővezető képességét. Nemcsak nagyon magas hőátadási képességgel rendelkezik, hanem alacsony dielektromos állandóval és dielektromos veszteséggel, valamint nagy szigeteléssel és mechanikai tulajdonságokkal is rendelkezik, a BEO kerámia az előnyben részesített anyag a nagy teljesítményű eszközök és a nagy hővezető képességet igénylő áramkörök alkalmazásában.

5. ábra: A berillia kristályszerkezete

A BEO nagy hővezetőképességét és alacsony veszteség -jellemzőit eddig páratlanul más kerámia anyagok, ám a Beo nagyon nyilvánvaló hiányosságokkal rendelkezik, és porja nagyon mérgező.

Jelenleg a Kínában az általánosan használt kerámia szubsztrát anyagok elsősorban Al2O3, ALN és Si3N4. Az LTCC technológia által készített kerámia szubsztrát integrálhatja a passzív komponenseket, például az ellenállókat, a kondenzátorokat és az induktorokat a háromdimenziós szerkezetbe. Ellentétben a félvezetők integrációjával, amelyek elsősorban aktív eszközök, az LTCC nagy sűrűségű 3D-s összekapcsolási huzalozási képességekkel rendelkezik.