Keraminių substratų medžiagos ir savybės

Tobulėjant ir tobulinant technologijas, veikimo srovė, darbinė temperatūra ir dažnis prietaisuose pamažu didėjo. Norint patenkinti prietaisų ir grandinių patikimumą, lustų nešikliams buvo pateikti didesni reikalavimai. Keraminiai substratai yra plačiai naudojami šiuose laukuose dėl puikių šiluminių savybių, mikrobangų savybių, mechaninių savybių ir didelio patikimumo.

Šiuo metu pagrindinės keraminiuose substratuose naudojamos keraminės medžiagos yra: aliuminio oksidas (AL2O3), aliuminio nitridas (ALN), silicio nitridas (Si3N4), silicio karbidas (SIC) ir berilio oksidas (BEO).

MA TERIAL	Grynumo	šilumos laidumas )	_	_ _	_ _ _
_	_	_	_	_	_ Daug platesnių programų
ALN	99%	150	8.9	15	Aukštesnis pasirodymas, Bet didesnės išlaidos
Beo	99	%	310	6,4	10 Milteliai
su	labai	toksiškais	_	_	_
_	_	_	_	_	_

Pažiūrėkime trumpas šių 5 pažangių substratų keramikos savybes taip:

1. aliuminio oksidas (AL2O3)

AL2O3 Homogeniniai polikristalai gali pasiekti daugiau nei 10 rūšių, o pagrindiniai kristalų tipai yra šie: α-Al2O3, β-Al2O3, γ-Al2O3 ir ZTA-Al2O3. Tarp jų α-Al2O3 turi mažiausią aktyvumą ir yra stabiliausias iš keturių pagrindinių kristalų formų, o jos vienetinė ląstelė yra smailus rombohedronas, priklausantis šešiakampei kristalų sistemai. α-Al2O3 struktūra yra sandari, korundumo struktūra gali būti stabiliai egzistuojanti visoje temperatūroje; Kai temperatūra siekia 1000 ~ 1600 ° C, kiti variantai negrįžtamai virs α-Al2O3.

1 paveikslas: Al2O3 kristalų mikrostrucija po SEM

Padidėjus AL2O3 masės frakcijai ir sumažėjus atitinkamos stiklo fazės masės frakcijai, Al2O3 keramikos šilumos laidumas greitai pakyla, o kai Al2O3 masės frakcija siekia 99%, jos šilumos laidumas dvigubai padidėja, palyginti su tuo, kai masės frakcija yra, kai masės frakcija yra, yra masės frakcija. 90%.

Nors padidėjus masinei AL2O3 frakcijai, gali pagerinti bendrą keramikos efektyvumą, ji taip pat padidina keramikos sukepinimo temperatūrą, o tai netiesiogiai padidina gamybos sąnaudas.

2. Aliuminio nitridas (ALN)

ALN yra savotiškas ⅲ-V junginys su wurtzite struktūra. Jo vieneto ląstelė yra „Aln4 Tetrahedron“, priklausanti šešiakampei kristalų sistemai ir turi stiprų kovalentinį ryšį, todėl jis turi puikias mechanines savybes ir didelį lenkimo stiprumą. Teoriškai jo kristalų tankis yra 3,2611 g/cm3, taigi jis turi aukštą šilumos laidumą, o gryno Aln kristalo šilumos laidumas yra 320 W/(m · k) kambario temperatūroje, o karšto slopinamo Alno Alno šilumos laidumas-šiluminis laidumas. Substratas gali pasiekti 150 W/(m · k), tai yra daugiau nei 5 kartus didesnis nei Al2O3. Šilumos išsiplėtimo koeficientas yra 3,8 × 10-6 ~ 4,4 × 10-6/℃, kuris gerai suderintas su puslaidininkių drožlių medžiagų, tokių kaip SI, SIC ir GAA, šiluminio išsiplėtimo koeficientą.

2 paveikslas: aliuminio nitrido milteliai

„AlN“ keramika turi didesnį šilumos laidumą nei Al2O3 keramika, kuri palaipsniui pakeičia „Al2O3“ keramiką didelės galios elektronikoje ir kituose prietaisuose, kuriems reikalingas didelis šilumos laidumas, ir turi plačias taikymo perspektyvas. ALN keramika taip pat laikoma pageidaujama medžiaga energijos tiekimo langui nuo galios vakuuminių elektroninių prietaisų dėl jų žemo antrinio elektronų emisijos koeficiento.

3. Silicio nitridas (Si3N4)

Si3N4 yra kovalentiškai surištas junginys su trimis kristalų struktūromis: α-Si3n4, β-Si3n4 ir γ-Si3n4. Tarp jų α-Si3N4 ir β-Si3N4 yra dažniausios kristalų formos, turinčios šešiakampę struktūrą. Vieno kristalo Si3N4 šiluminis laidumas gali pasiekti 400W/(m · k). Tačiau dėl fonono šilumos perdavimo yra grotelių defektų, tokių kaip laisvos vietos ir dislokacija faktinėje gardelėse, o priemaišos padidėja fonono išsibarstymas, todėl tikrojo šaudymo keramikos šiluminis laidumas yra tik apie 20 W/(m · k). . Optimizuodamas proporcijos ir sukepinimo procesą, šilumos laidumas pasiekė 106W/(M · k). Si3N4 šiluminio išsiplėtimo koeficientas yra apie 3,0 × 10–6/ c, kuris gerai suderinamas su SI, SIC ir GaAs medžiagomis, todėl Si3N4 keramika yra patraukli keraminė substrato medžiaga, skirta dideliam šilumos laidumo elektroniniams prietaisams.

3 paveikslas: Silicio nitrido milteliai

Tarp esamų keraminių substratų Si3N4 keraminiai substratai yra laikomi geriausiomis keraminėmis medžiagomis, turinčiomis puikias savybes, tokias kaip didelis kietumas, didelis mechaninis stiprumas, atsparumas aukštai temperatūrai ir šiluminis stabilumas, žemos dielektrinė konstanta ir dielektrinis nuostolis, atsparumas susidėvėjimui ir atsparumui korozijai. Šiuo metu jis yra palankus IGBT modulio pakuotėje ir palaipsniui pakeičia AL2O3 ir Aln keraminius substratus.

4.Silicon karbidas (sic)

Vieno kristalo sic yra žinoma kaip trečiosios kartos puslaidininkinė medžiaga, kurios pranašumai yra didelės juostos tarpo, aukštos skilimo įtampos, aukšto šilumos laidumo ir didelio elektronų prisotinimo greičio pranašumai.

Pridėję nedidelį BEO ir B2O3 kiekį SIC, kad padidintumėte jo varžą, ir tada pridėdami atitinkamus sukepinimo priedus, esančius virš 1900 m., Naudodamiesi karštu presavimo sukepinimu, galite paruošti daugiau nei 98% SiC keramikos tankį. SiC keramikos šiluminis laidumas su skirtingu grynumu, paruoštu skirtingais sukepinimo metodais ir priedais, yra 100 ~ 490W/(m · k) kambario temperatūroje. Kadangi SiC keramikos dielektrinė konstanta yra labai didelė, ji tinka tik žemo dažnio naudojimui ir nėra tinkama naudoti aukšto dažnio reikmėms.

5. Berilia (BEO)

BEO yra wurtzite struktūra, o ląstelė yra kubinės kristalų sistema. Jo šilumos laidumas yra labai didelis, 99% BEO keramikos BEO masės dalis, esanti kambario temperatūroje, jo šilumos laidumas (šilumos laidumas) gali pasiekti 310 W/(m · k), maždaug 10 kartų didesnį nei to paties grynumo Al2O3 keramikos šilumos laidumas. BEO keramika ne tik turi labai didelę šilumos perdavimo talpą, bet ir turi mažą dielektrinę konstantą ir dielektrinius nuostolius bei dideles izoliacijas ir mechanines savybes, yra tinkamiausia medžiaga, kai reikia naudoti didelės galios prietaisus ir grandines, kurioms reikalingas didelis šilumos laidumas.

5 paveikslas: Berilijos kristalų struktūra

Aukštą šilumos laidumą ir mažo nuostolių charakteristikas BEO yra iki šiol neprilygstamos kitomis keraminėmis medžiagomis, tačiau BEO turi labai akivaizdžių trūkumų, o jo milteliai yra labai toksiški.

Šiuo metu dažniausiai naudojamos keraminės substrato medžiagos Kinijoje daugiausia yra AL2O3, ALN ir SI3N4. LTCC technologijos pagamintas keraminis substratas gali integruoti pasyvius komponentus, tokius kaip rezistoriai, kondensatoriai ir induktoriai, trimatėje struktūroje. Priešingai nei puslaidininkių, kurie visų pirma yra aktyvūs įrenginiai, integracija, LTCC turi didelio tankio 3D sujungimo laidų galimybes.