Materiály a vlastnosti keramických substrátů

S pokrokem a vývojem technologie se provozní proud, pracovní teplota a frekvence v zařízeních postupně zvyšují. Za účelem splnění spolehlivosti zařízení a obvodů byly pro nosiče čipů předloženy vyšší požadavky. Keramické substráty se v těchto polích široce používají kvůli jejich vynikajícím tepelným vlastnostem, mikrovlnným vlastnostem, mechanickým vlastnostem a vysoké spolehlivosti.

V současné době jsou hlavní keramické materiály používané v keramických substrátech: alumina (AL2O3), nitrid hlinitý (ALN), nitrid křemíku (SI3N4), karbid křemíku (SIC) a oxid berylium (BEO).

Ma terial		Tepelná vodivost	čistoty	(W/km)	Relativní elektrická konstantní	rušivá intenzita pole (kV/mm^(-1))	Krátká kompegace s
Al2O3	99%	29	9,7	10	Nejlepší výkonnost nákladů, Mnohem širší aplikace
aln	99%	150	8,9	15	vyšší výkon, Ale vyšší náklady
BEO	99%	310	6,4	10	prášek s vysoce toxickým, limit pro použití
SI3N4	99%	106	9,4	100	Optimální celkový výkon
SIC	99%	270	40	0,7	Pouze pro nízkofrekvenční aplikace

Podívejme se na krátké charakteristiky těchto 5 pokročilých keramiky pro substráty takto:

1. Alumina (AL2O3)

Homogenní polykrystaly AL2O3 mohou dosáhnout více než 10 druhů a hlavní typy krystalů jsou následující: a-AL2O3, P-AL2O3, y-AL2O3 a ZTA-AL2O3. Mezi nimi má a-al2O3 nejnižší aktivitu a je nejstabilnější mezi čtyřmi hlavními krystalovými formami a její jednotková buňka je špičatý kosočtvercový, patřící do hexagonálního krystalového systému. Struktura α-AL2O3 je těsná, struktura korundu, může existovat stabilně při všech teplotách; Když teplota dosáhne 1000 ~ 1600 ° C, jiné varianty se nevratně přemění na a-al2O3.

Obrázek 1: Křišťálová mikrostrutura AL2O3 pod SEM

Se zvýšením hmotnostní frakce AL2O3 a snížením odpovídající hmotnostní frakce skleněné fáze se tepelná vodivost keramiky Al2O3 rychle zvyšuje, a když hmotnostní frakce AL2O3 dosáhne 99%, její tepelná vodivost se zdvojnásobí ve srovnání s tím, když je hmotnost frakce frakce 90%.

Přestože zvyšování hmotnostní frakce AL2O3 může zlepšit celkový výkon keramiky, zvyšuje také teplotu keramiky, což nepřímo vede ke zvýšení výrobních nákladů.

2. Nitrid z hliníku (ALN)

ALN je druh skupiny ⅲ-V sloučeniny se strukturou Wurtzite. Její jednotková buňka je ALN4 tetrahedron, který patří do hexagonálního krystalového systému a má silnou kovalentní vazbu, takže má vynikající mechanické vlastnosti a vysokou pevnost ohybu. Teoreticky je jeho hustota krystalů 3,2611g/cm3, takže má vysokou tepelnou vodivost a čistý ALN Crystal má tepelnou vodivost 320 W/(m · K) při pokojové teplotě a tepelnou vodivost vystřeleného lisovaného vystřeleného aln. Substrát může dosáhnout 150 W/(M · K), což je více než 5krát vyšší než u Al2O3. Koeficient tepelné roztažnosti je 3,8 x 10-6 ~ 4,4 × 10-6/℃, což je dobře spojeno s koeficientem tepelné roztažnosti polovodičových čipových materiálů, jako jsou SI, SIC a GaAs.

Obrázek 2: Prášek nitridu hliníku

ALN keramika má vyšší tepelnou vodivost než keramika AL2O3, která postupně nahrazuje keramiku AL2O3 ve vysoce výkonné elektronice a dalších zařízeních vyžadujících vysoký tepelný vodivost a má široké vyhlídky na aplikaci. ALN keramika je také považována za preferovaný materiál pro okno dodávání energie energetických vakuových elektronických zařízení kvůli jejich nízkému sekundárnímu koeficientu emisí elektronů.

3. Nitrid křemíku (SI3N4)

SI3N4 je kovalentně vázaná sloučenina se třemi krystalovými strukturami: a-si3n4, p-si3n4 a y-si3n4. Mezi nimi jsou a-Si3N4 a P-SI3N4 nejběžnějšími krystalovými formami s hexagonální strukturou. Tepelná vodivost monokrystalu SI3N4 může dosáhnout 400 W/(M · K). Avšak vzhledem k přenosu tepla ve fononu existují defekty mřížky, jako je neobsazené místo a dislokace ve skutečné mřížce, a nečistoty způsobují zvýšení rozptylu fononu, takže tepelná vodivost skutečné vypálené keramiky je pouze asi 20 W/(m · k) . Optimalizací podílu a procesu slinování dosáhla tepelná vodivost 106W/(M · K). Koeficient tepelné roztažnosti SI3N4 je asi 3,0 x 10-6/ c, což je dobře spojeno s materiály SI, SIC a GaAS, díky čemuž je keramika SI3N4 atraktivním materiálem keramického substrátu pro elektronická zařízení s vysokou tepelnou vodivostí.

Obrázek 3: Prášek nitridu křemíku

Mezi stávající keramické substráty jsou keramické substráty SI3N4 považovány za nejlepší keramické materiály s vynikajícími vlastnostmi, jako je vysoká tvrdost, vysoká mechanická pevnost, vysoká teplotní odolnost a tepelná stabilita, nízká dielektrická konstanta a dielektrická ztráta, odolnost proti korozi. V současné době je upřednostňován v balení modulů IGBT a postupně nahrazuje keramické substráty Al2O3 a ALN.

4.Silicon Carbide (SIC)

Jednorázový krystalový Sic je známý jako polovodičový materiál třetí generace, který má výhody velké mezery v pásmu, vysokého rozpadu, vysoké tepelné vodivosti a vysoké rychlosti nasycení elektronů.

Přidáním malého množství BEO a B2O3 do SIC ke zvýšení jeho odporu a poté přidání odpovídajících slinovacích přísad při teplotě nad 1900 ℃ pomocí horkého lisovacího slinování můžete připravit hustotu více než 98% sic keramiky. Tepelná vodivost sic keramiky s různou čistotou připravenou různými metodami slinování a přísavami je 100 ~ 490 W/(m · K) při teplotě místnosti. Protože dielektrická konstanta sic keramiky je velmi velká, je vhodná pouze pro nízkofrekvenční aplikace a není vhodná pro vysokofrekvenční aplikace.

5. Beryllia (BEO)

BEO je struktura Wurtzite a buňka je krystalový systém krychlového krystalu. Jeho tepelná vodivost je velmi vysoká, hmotnostní frakce BEO 99% beo keramiky, při teplotě místnosti, její tepelná vodivost (tepelná vodivost) může dosáhnout 310 W/(m · K), asi 10krát vyšší než tepelná vodivost stejné čistoty AL2O3 keramiky. Nejenže má velmi vysokou kapacitu přenosu tepla, ale má také nízkou dielektrickou konstantu a dielektrické ztráty a vysokou izolaci a mechanické vlastnosti, Beo keramika je preferovaným materiálem při aplikaci vysoce výkonných zařízení a obvodů vyžadujících vysokou tepelnou vodivost.

Obrázek 5: Krystalová struktura berylia

Vysoká tepelná vodivost a charakteristiky BEO s nízkými ztrátami jsou dosud bezprostředními keramickými materiály tak daleko, ale BEO má velmi zřejmé nedostatky a jeho prášek je vysoce toxický.

V současné době jsou běžně používané keramické substrátové materiály v Číně hlavně AL2O3, ALN a SI3N4. Keramický substrát vyrobený technologií LTCC může integrovat pasivní komponenty, jako jsou rezistory, kondenzátory a induktory do trojrozměrné struktury. Na rozdíl od integrace polovodičů, které jsou primárně aktivními zařízeními, má LTCC 3D propojovací schopnosti 3D propojení.