Keramikas substrātu materiāli un īpašības

Līdz ar tehnoloģiju attīstību un attīstību darbība, darba temperatūra un biežums ierīcēs pakāpeniski kļūst augstāks. Lai apmierinātu ierīču un shēmu uzticamību, mikroshēmu pārvadātājiem ir izvirzītas augstākas prasības. Keramikas substrāti tiek plaši izmantoti šajos laukos to izcilo termisko īpašību, mikroviļņu īpašību, mehānisko īpašību un augsta uzticamības dēļ.

Pašlaik galvenie keramikas materiāli, ko izmanto keramikas substrātos, ir: alumīnija oksīds (AL2O3), alumīnija nitrīds (ALN), silīcija nitrīds (SI3N4), silīcija karbīds (SIC) un berilija oksīds (BEO).

Maģistra _	Tīrības	siltumvadītspēja (W/km)	Relatīvā elektriskā konstante	graujoša lauka intensitāte (KV/mm^(-1))	īss komponts s
al2o3	99%	29	9,7	10	Labākais izmaksu veiktspēja, Daudz plašāku lietojumprogrammu
aln	99%	150	8.9	15	Augstāka veiktspēja, Bet augstākas izmaksas
beo	99%	310	6,4	10	pulveris ar ļoti toksisku, ierobežots līdz
SI3N4	99%	106	9,4	100	optimālai kopējai veiktspējai
SIC	99%	270	40	0,7	, kas piemērota tikai zemas frekvences lietojumiem

Apskatīsim šīs 5 uzlabotās substrātu keramikas īsās īpašības šādi:

1. Alumīnija oksīds (AL2O3)

Al2O3 viendabīgi polikristāli var sasniegt vairāk nekā 10 veidus, un galvenie kristālu tipi ir šādi: α-Al2O3, β-Al2O3, γ-Al2O3 un ZTA-Al2O3. Starp tiem α-Al2O3 ir zemākā aktivitāte, un tā ir visstabilākā starp četrām galvenajām kristāla formām, un tā vienības šūna ir smaila rombohedrons, kas pieder sešstūra kristāla sistēmai. α-Al2O3 struktūra ir stingri, korunduma struktūra, var pastāvīgi pastāvēt visās temperatūrās; Kad temperatūra sasniedz 1000 ~ 1600 ° C, citi varianti neatgriezeniski pārveidosies par α-Al2O3.

1. attēls: AL2O3 kristāla mikrostruture

Palielinoties AL2O3 masas frakcijai un atbilstošās stikla fāzes masas frakcijas samazināšanos, AL2O3 keramikas siltumvadītspēja strauji palielinās, un, kad AL2O3 masas frakcija sasniedz 99%, tā siltumvadītspēja tiek divkāršota, salīdzinot ar to, kad masas frakcija ir, salīdzinot ar masas frakciju 90%.

Lai arī AL2O3 masas daļas palielināšana var uzlabot keramikas kopējo veiktspēju, tā arī palielina keramikas saķepināšanas temperatūru, kas netieši palielina ražošanas izmaksu pieaugumu.

2. Alumīnija nitrīds (ALN)

ALN ir sava veida grupas ⅲ-V savienojums ar wurtzite struktūru. Tās vienības šūna ir Aln4 tetraedrons, kas pieder sešstūra kristāla sistēmai un kurai ir spēcīga kovalentā saite, tāpēc tai ir lieliskas mehāniskās īpašības un augstas lieces stiprība. Teorētiski tā kristāla blīvums ir 3,2611g/cm3, tāpēc tam ir augsta siltumvadītspēja, un tīrā ALN kristāla siltumvadītspēja ir 320W/(m · k) istabas temperatūrā, un karstā spiediena termiskā vadītspēja karsti nošauto Aln Aln Aln Substrāts var sasniegt 150W/(M · K), kas ir vairāk nekā 5 reizes lielāks nekā AL2O3. Termiskās izplešanās koeficients ir 3,8 × 10-6 ~ 4,4 × 10-6/℃, kas ir labi saskaņots ar pusvadītāju mikroshēmu materiālu, piemēram, Si, Sic un GaAs, termiskās izplešanās koeficientu.

2. attēls: alumīnija nitrīda pulveris

ALN keramikai ir augstāka siltumvadītspēja nekā AL2O3 keramikai, kas pakāpeniski aizstāj AL2O3 keramiku lieljaudas jaudas elektronikā un citās ierīcēs, kurām nepieciešama augsta siltuma vadīšana, un tai ir plašas pielietojuma iespējas. ALN keramika tiek uzskatīta arī par vēlamo materiālu enerģijas piegādes logam enerģijas vakuuma elektroniskajām ierīcēm, ņemot vērā to zemo sekundāro elektronu emisijas koeficientu.

3. Silīcija nitrīds (SI3N4)

Si3n4 ir kovalenti saistīts savienojums ar trim kristāla struktūrām: α-SI3N4, β-SI3N4 un γ-SI3N4. Starp tiem α-SI3N4 un β-SI3N4 ir visizplatītākās kristāla formas ar sešstūra struktūru. Viena kristāla Si3n4 siltumvadītspēja var sasniegt 400W/(M · K). Tomēr, ņemot vērā tā fonona siltuma pārnesi, ir režģa defekti, piemēram, vakance un dislokācija faktiskajā režģī, un piemaisījumi izraisa fononu izkliedes palielināšanos, tāpēc faktiskās atlaistās keramikas termiskā vadītspēja ir tikai aptuveni 20W/(m · k) siltumvadītspēja) ir tikai aptuveni 20W/(m · k) siltumvadītspēja) ir tikai aptuveni 20w/(m · k) siltumvadītspēja) ir aptuveni 20w/(m · k) siltumvadītspēja) ir aptuveni 20 w/(m · k) siltumvadītspēja) siltumvadītspēja) termiskā vadītspēja) termiskā vadītspēja) siltumvadītspēja) siltumvadītspēja) termiskā vadītspēja) siltumvadītspēja) siltumvadītspēja) siltumvadītspēja) siltumvadītspēja) siltumvadītspēja) siltumvadītspēja) siltumvadītspēja) siltumvadītspēja) siltumvadītspēja) siltumvadītspēja Apvidū Optimizējot proporcionālo un saķepināšanas procesu, siltumvadītspēja ir sasniegusi 106W/(M · K). Si3n4 termiskās izplešanās koeficients ir aptuveni 3,0 × 10-6/ c, kas ir labi saskaņots ar SI, SIC un GaAs materiāliem, padarot SI3N4 keramiku par pievilcīgu keramikas substrāta materiālu augstas siltumvadītspējas elektroniskām ierīcēm.

3. attēls: silīcija nitrīda pulveris

Starp esošajiem keramikas substrātiem SI3N4 keramikas substrāti tiek uzskatīti par labākajiem keramikas materiāliem ar lieliskām īpašībām, piemēram, augstu cietību, augstu mehānisko izturību, izturību pret augstu temperatūru un termisko stabilitāti, zemu dielektrisko konstanti un dielektrisko zudumu, nodiluma izturību un korozijas izturību. Pašlaik tas tiek atbalstīts IGBT moduļa iepakojumā un pakāpeniski aizstāj AL2O3 un Aln keramikas substrātus.

4.Silicon karbīds (sic)

Atsevišķa kristāla SIC ir pazīstams kā trešās paaudzes pusvadītāju materiāls, kam ir lielas joslu spraugas priekšrocības, augsts sadalīšanās spriegums, augsta siltumvadītspēja un augsts elektronu piesātinājuma ātrums.

Pievienojot nelielu daudzumu BEO un B2O3, lai palielinātu tā pretestību, un pēc tam pievienojot atbilstošās saķepināšanas piedevas temperatūrā virs 1900 ℃, izmantojot karstu presējošu saķepināšanu, jūs varat sagatavot blīvumu vairāk nekā 98% no SiC keramikas. SiC keramikas ar atšķirīgu tīrību, kas sagatavota ar dažādām saķepināšanas metodēm un piedevām, siltumvadītspēja ir 100 ~ 490W/(M · K) istabas temperatūrā. Tā kā SiC keramikas dielektriskā konstante ir ļoti liela, tā ir piemērota tikai zemfrekvences lietojumiem un nav piemērota augstfrekvences lietojumiem.

5. Berilija (BEO)

BEO ir wurtzite struktūra, un šūna ir kubiskā kristāla sistēma. Tās siltumvadītspēja ir ļoti augsta, BEO masas frakcija 99% BEO keramikas, istabas temperatūrā tā siltumvadītspēja (siltumvadītspēja) var sasniegt 310w/(m · k), apmēram 10 reizes pārsniedzot tās pašas tīrības al2O3 keramikas siltumvadītspēju. Tam ir ne tikai ļoti liela siltuma pārneses spēja, bet arī zema dielektriskā konstante un dielektriskā zudums un augstas izolācijas un mehāniskās īpašības, BEO keramika ir vēlamais materiāls lieljaudas ierīču un ķēžu pielietojumā, kam nepieciešama augsta siltumvadītspēja.

5. attēls: Berilijas kristāla struktūra

BEO augsto siltumvadītspēju un zemu zudumu raksturlielumus līdz šim nepārspēj citi keramikas materiāli, taču BEO ir ļoti acīmredzami trūkumi, un tā pulveris ir ļoti toksisks.

Pašlaik Ķīnā parasti izmantotie keramikas substrāta materiāli galvenokārt ir AL2O3, ALN un SI3N4. Keramikas substrāts, ko izgatavojis LTCC tehnoloģija, var integrēt pasīvos komponentus, piemēram, rezistorus, kondensatorus un induktorus trīsdimensiju struktūrā. Pretstatā pusvadītāju, kas galvenokārt ir aktīvās ierīces, integrācijai, LTCC ir augsta blīvuma 3D starpsavienojuma vadu iespējas.