Keraamiliste substraatide materjalid ja omadused

Tehnoloogia edusammude ja arendamisega on seadmete töövool, töötemperatuur ja sagedus järk -järgult kõrgem. Seadmete ja vooluahelate usaldusväärsuse täitmiseks on kiibikandjatele esitatud kõrgemad nõuded. Nendes põldudes kasutatakse laialdaselt keraamilisi substraate nende suurepäraste soojusomaduste, mikrolaine omaduste, mehaaniliste omaduste ja suure töökindluse tõttu.

Praegu on keraamilistes substraatides kasutatavad peamised keraamilised materjalid: alumiiniumoksiid (Al2O3), alumiiniumnitriidi (ALN), räni nitriid (Si3n4), räni karbiidi (SIC) ja berülliumoksiid (BEO).

Ma- _	Puhtuse	soojusjuhtivus (W/km)	Suhteline elektriline konstantse	häiriv välja intensiivsus (KV	/ mm ^
(	-	1	)	)	Lühikommentur	Palju laiemaid rakendusi
aln	99%	150	8,9	15	suurem jõudlus, Kuid kõrgemad kulud
beo	99%	310	6,4	10	Pulber väga toksilisega ,
Si3N4	99%	106	9.4	100	Optimaalne üldine jõudlus
SIC	99%	270	40	0,7	sobib ainult madala sagedusega rakenduste jaoks

Vaatame nende 5 substraatide 5 arenenud keraamika lühikesi omadusi järgmiselt:

1. alumiiniumoksiid (Al2O3)

Al2O3 homogeensed polükristallid võivad jõuda rohkem kui 10 tüüpi ja peamised kristallitüübid on järgmised: α-AL2O3, β-AL2O3, γ-AL2O3 ja ZTA-AL2O3. Nende hulgas on α-AL2O3-l kõige madalam aktiivsus ja see on kõige stabiilsem nelja peamise kristallvormi seas ning selle ühikuelement on terav romboedron, mis kuulub kuusnurksesse kristallisüsteemi. α-AL2O3 struktuur on tihe, korundi struktuur, võib eksisteerida stabiilselt kõigil temperatuuridel; Kui temperatuur ulatub 1000 ~ 1600 ° C-ni, muutuvad teised variandid pöördumatult α-Al2O3-ks.

Joonis 1: Al2O3 kristallmikrostruratsioon SEM all

Al2O3 massifraktsiooni suurenemisega ja vastava klaasise faasi massifraktsiooni vähenemisega tõuseb Al2O3 keraamika soojusjuhtivus kiiresti ja kui Al2O3 massifraktsioon ulatub 99%-ni, kahekordistub selle soojusjuhtivus võrreldes sellega, kui massiosa on 90%.

Ehkki Al2O3 massifraktsiooni suurendamine võib parandada keraamika üldist jõudlust, suurendab see ka keraamika paagutemperatuuri, mis põhjustab kaudselt tootmiskulude suurenemist.

2. Alumiiniumnitriid (ALN)

ALN on omamoodi rühma ⅲ-V ühend, millel on wurtsiidi struktuur. Selle ühikuelement on Aln4 tetraeedr, mis kuulub kuusnurksesse kristallsüsteemi ja millel on tugev kovalentne side, nii et sellel on suurepärased mehaanilised omadused ja kõrge painutustugevus. Teoreetiliselt on selle kristalltihedus 3,2611g/cm3, seega on sellel kõrge soojusjuhtivus ja puhta ALN-i kristalli soojusjuhtivus on 320W/(M · K) toatemperatuuril ja kuumpresseeritud Alni soojusjuhtivus Substraat võib ulatuda 150W/(M · K), mis on rohkem kui 5 korda suurem kui Al2O3. Soojuspaisumistegur on 3,8 × 10-6 ~ 4,4 × 10-6/℃, mis on hästi sobitatud pooljuhtide kiibmaterjalide, näiteks SI, SIC ja GAA-de soojuspaisumisteguriga.

Joonis 2: alumiiniumnitriidi pulber

ALN-i keraamikas on kõrgem soojusjuhtivus kui Al2O3 keraamika, mis asendab järk-järgult Al2O3 keraamika suure võimsusega elektrienergiaga ja muudes seadmetes, mis vajavad kõrget soojusjuhtivust, ning millel on laialdased rakenduse väljavaated. ALN -i keraamikat peetakse ka energia vaakumi elektroonikaseadmete energiaallika aken eelistatud materjaliks nende madala sekundaarse elektronide heitkoguste koefitsiendi tõttu.

3. Räni nitriid (Si3n4)

Si3n4 on kovalentselt ühendatud ühend, millel on kolm kristallstruktuuri: α-Si3n4, β-Si3n4 ja γ-SI3N4. Nende hulgas on kõige tavalisemad kristallvormid α-Si3n4 ja β-Si3n4, millel on kuusnurkne struktuur. Üksikute kristallide SI3N4 soojusjuhtivus võib ulatuda 400W/(M · K). Kuid fononi soojusülekande tõttu on tegelik võre puhul võre defekte nagu vakantsus ja nihestus ning lisandid põhjustavad fononide hajumise suurenemist, seega on tegeliku vallandatud keraamika soojusjuhtivus ainult umbes 20W/(M · K) . Optimeerides osakaalu ja paagutamise protsessi, on soojusjuhtivus jõudnud 106W/(m · K). SI3N4 soojuspaisumistegur on umbes 3,0 × 10-6/ ° C, mis sobib hästi Si, SIC ja GaAS-i materjalidega, muutes Si3N4 keraamika atraktiivseks keraamiliseks substraadimaterjaliks kõrge soojusjuhtivuse elektroonikaseadmete jaoks.

Joonis 3: Räni nitriidi pulber

Olemasolevate keraamiliste substraatide hulgas peetakse SI3N4 keraamilisi substraate parimateks keraamilisteks materjaliks, millel on suurepärased omadused nagu kõrge kõvadus, kõrge mehaaniline tugevus, kõrge temperatuurikindlus ja termiline stabiilsus, madal dielektriline konstant ja dielektriline kadu, kulumiskindlus ja korrosioonikindlus. Praegu eelistatakse seda IGBT mooduli pakendis ja asendab järk -järgult Al2O3 ja ALN -i keraamilisi substraate.

4.silicon karbiid (sic)

Üksikkristall SIC on tuntud kui kolmanda põlvkonna pooljuhtmaterjal, millel on suure ribalaiuse eelised, kõrge lagunemispinge, kõrge soojusjuhtivus ja elektronide küllastumiskiirus.

Lisades selle vastupidavuse suurendamiseks väikese koguse BEO ja B2O3 SIC -le ning lisades seejärel vastavad paagutatavad lisandid temperatuurist üle 1900. ℃ Kuuma pressimise paagutamise abil saate ette valmistada enam kui 98% SIC -keraamika tiheduse. Erinevate paagutamismeetodite ja lisandite abil erineva puhtusega SIC -keraamika soojusjuhtivus on toatemperatuuril 100 ~ 490W/(M · K). Kuna SIC-keraamika dielektriline konstant on väga suur, sobib see ainult madala sagedusega rakenduste jaoks ega sobi kõrgsageduslike rakenduste jaoks.

5. Beryllia (BEO)

BEO on Wurtzite'i struktuur ja rakk on kuupkristallsüsteem. Selle soojusjuhtivus on väga kõrge, BEO massifraktsioon 99% Beo keraamikat toatemperatuuril võib selle soojusjuhtivus (soojusjuhtivus) ulatuda 310W/(M · K), mis on umbes 10 -kordne sama puhtuse Al2O3 keraamika soojusjuhtivus. See pole mitte ainult väga kõrge soojusülekandevõimega, vaid sellel on ka madal dielektriline konstant ja dielektriline kadu ning kõrge isolatsioon ja mehaanilised omadused, BEO-keraamika on eelistatud materjal suure võimsusega seadmete ja vooluringide rakendamisel, mis nõuavad kõrget soojusjuhtivust.

Joonis 5: Berüllia kristallstruktuur

BEO kõrged soojusjuhtivus ja madala kadude omadused on teiste keraamiliste materjalidega nii kaugelt võrreldavad, kuid BEO -l on väga ilmsed puudused ja selle pulber on väga toksiline.

Praegu on Hiinas tavaliselt kasutatavad keraamilised substraadimaterjalid peamiselt Al2O3, ALN ja Si3N4. LTCC-tehnoloogia valmistatud keraamiline substraat saab integreerida kolmemõõtmelises struktuuris passiivseid komponente nagu takistid, kondensaatorid ja induktiivid. Vastupidiselt pooljuhtide integreerimisele, mis on peamiselt aktiivsed seadmed, on LTCC-l suure tihedusega 3D-ühenduse juhtmestiku võimalused.