Материали и характеристики на керамичните субстрати

С напредъка и развитието на технологиите работният ток, работната температура и честотата в устройствата постепенно се увеличават. За да се отговори на надеждността на устройствата и веригите, бяха изложени по -високи изисквания за превозвачите на чипове. Керамичните субстрати се използват широко в тези полета поради техните отлични термични свойства, микровълнови свойства, механични свойства и висока надеждност.

Понастоящем основните керамични материали, използвани в керамичните субстрати, са: алуминий (Al2O3), алуминиев нитрид (ALN), силициев нитрид (Si3N4), силициев карбид (SIC) и берилив оксид (BEO).

Материал _	Чистота	топлопроводимост (W/km)	Относителна електрическа постоянна	разрушително поле на полето (kv/mm^(-1))	кратка comme nt s
al2o3	99%	29	9,7	10	най-добри ефекти на разходите, Много по -широки приложения
aln	99%	150	8,9	15	по -висока производителност, Но по -висока цена
beo	99%	310	6.4	10	Прах с силно токсичен, ограничете за използване на
Si3N4	99%	106	9.4	100	Оптимална обща производителност
SIC	99%	270	40	0,7	Само за приложения с ниска честота

Нека да видим кратките характеристики на тези 5 усъвършенствани керамики за субстратите, както следва:

1. Алуминий (AL2O3)

Хомогенните поликристали AL2O3 могат да достигнат повече от 10 вида, а основните видове кристали са както следва: α-AL2O3, β-AL2O3, γ-AL2O3 и ZTA-AL2O3. Сред тях α-AL2O3 има най-ниска активност и е най-стабилната сред четирите основни кристални форми, а единичната му клетка е заострена ромбохдрон, принадлежащ към шестоъгълната кристална система. Структурата на α-AL2O3 е стегната, корундната структура, може да съществува стабилно при всички температури; Когато температурата достигне 1000 ~ 1600 ° C, други варианти ще се трансформират необратимо в α-AL2O3.

Фигура 1: Кристална микроструктура на Al2O3 под SEM

С увеличаването на масовата фракция Al2O3 и намаляването на съответната фракция на масата на стъклената фаза, топлинната проводимост на Al2O3 керамика се повишава бързо и когато масовата фракция Al2O3 достигне 99%, топлинната му проводимост се удвоява в сравнение с това, когато масата е фракция 90%.

Въпреки че увеличаването на масовата фракция на Al2O3 може да подобри общата ефективност на керамиката, тя също така повишава температурата на синтероване на керамиката, което косвено води до увеличаване на производствените разходи.

2. Алуминиев нитрид (ALN)

ALN е вид група ⅲ-V съединение със структура на Вюрцит. Неговата единична клетка е Aln4 тетраедър, която принадлежи към шестоъгълна кристална система и има силна ковалентна връзка, така че има отлични механични свойства и висока якост на огъване. Теоретично, неговата кристална плътност е 3,2611g/cm3, така че има висока топлопроводимост, а чистият ALN кристал има топлинна проводимост 320W/(m · k) при стайна температура, а топлинната проводимост на горещо натиснато изстреляна ALN Субстратът може да достигне 150W/(M · K), което е повече от 5 пъти по -голямо от тази на Al2O3. Коефициентът на термично разширение е 3,8 × 10-6 ~ 4,4 × 10-6/℃, което е добре съчетано с коефициента на термично разширение на полупроводниковите чип материали като SI, SIC и GAAS.

Фигура 2: Прах от алуминиев нитрид

ALN керамиката има по-висока топлопроводимост от Al2O3 керамиката, която постепенно замества AL2O3 керамиката в електрониката с висока мощност и други устройства, изискващи висока топлинна проводимост, и има широки перспективи за приложение. ALN керамиката също се счита за предпочитан материал за прозореца за доставяне на енергия на електронните електронни устройства за мощност поради ниския им вторичен коефициент на емисии на електрон.

3. Силиконов нитрид (SI3N4)

Si3N4 е ковалентно свързано съединение с три кристални структури: α-Si3N4, β-Si3N4 и γ-Si3N4. Сред тях α-Si3N4 и β-Si3N4 са най-често срещаните кристални форми, с шестоъгълна структура. Топлинната проводимост на единичен кристал Si3N4 може да достигне 400W/(m · K). Въпреки това, поради неговия фононски топлопренос, има дефекти на решетката като свободно място и дислокация в действителната решетка, а примесите причиняват разсейване на фонона да се увеличи, така че топлинната проводимост на действителната изстреляна керамика е само около 20W/(m · K) . Чрез оптимизиране на процеса на пропорция и синтероване, топлинната проводимост достига 106W/(M · K). Коефициентът на термично разширение на Si3N4 е около 3,0 × 10-6/ c, което е добре съчетано с материали Si, SIC и GAAS, което прави Si3N4 керамиката атрактивен керамичен субстрат за електронни устройства с висока топлинна проводимост.

Фигура 3: Прах от силициев нитрид

Сред съществуващите керамични субстрати, Si3N4 керамичните субстрати се считат за най -добрите керамични материали с отлични свойства като висока твърдост, висока механична якост, висока температурна устойчивост и термична стабилност, ниска диелектрична константа и диелектрична загуба, устойчивост на износване и устойчивост на корозия. Понастоящем той е предпочитан в опаковката на модула на IGBT и постепенно замества Al2O3 и ALN керамичните субстрати.

4.Силикон карбид (SIC)

Единичният кристален SIC е известен като полупроводникови материали от трето поколение, който има предимствата на голямата пропаст в лентата, напрежението с високо разрушаване, високата термична проводимост и високата скорост на насищане на електроните.

Чрез добавяне на малко количество BEO и B2O3 към SIC за увеличаване на съпротивлението му и след това добавяне на съответните добавки за синтероване в температурата над 1900 ℃ с помощта на горещо натискане на синтероване, можете да подготвите плътността на повече от 98% от SIC керамиката. Топлинната проводимост на SIC керамиката с различна чистота, приготвена от различни методи и добавки за синтероване, е 100 ~ 490W/(m · k) при стайна температура. Тъй като диелектричната константа на SIC керамиката е много голяма, тя е подходяща само за нискочестотни приложения и не е подходяща за високочестотни приложения.

5. Берилия (BEO)

BEO е структура на Wurtzite, а клетката е кубична кристална система. Термичната му проводимост е много висока, BEO масова фракция от 99% BEO керамика, при стайна температура, топлинната му проводимост (топлопроводимост) може да достигне 310W/(m · K), около 10 пъти по -голяма от топлинната проводимост на същата чистота AL2O3 керамика. Не само има много висок капацитет на топлопреминаване, но също така има ниска диелектрична константа и диелектрична загуба и висока изолация и механични свойства, Beo керамиката е предпочитаният материал при прилагането на устройства с висока мощност и вериги, изискващи висока топлопроводимост.

Фигура 5: Кристална структура на берилия

Високата топлопроводимост и характеристиките на ниските загуби на BEO са засега несравними от други керамични материали, но BEO има много очевидни недостатъци, а прахът му е силно токсичен.

Понастоящем често използваните керамични субстратни материали в Китай са главно AL2O3, ALN и SI3N4. Керамичният субстрат, направен от технологията LTCC, може да интегрира пасивни компоненти като резистори, кондензатори и индуктори в триизмерната структура. За разлика от интегрирането на полупроводници, които са предимно активни устройства, LTCC има 3D възможности за свързване с висока плътност.