Materiali e caratteristiche dei substrati ceramici

Con il progresso e lo sviluppo della tecnologia, la corrente operativa, la temperatura di lavoro e la frequenza nei dispositivi hanno gradualmente aumentati. Al fine di soddisfare l'affidabilità di dispositivi e circuiti, sono stati avanzati requisiti più elevati per i portatori di chip. I substrati ceramici sono ampiamente utilizzati in questi campi a causa delle loro eccellenti proprietà termiche, proprietà a microonde, proprietà meccaniche e elevata affidabilità.

Al momento, i principali materiali ceramici utilizzati nei substrati ceramici sono: allumina (AL2O3), nitruro di alluminio (ALN), nitruro di silicio (SI3N4), carburo di silicio (SIC) e ossido di berillio (BEO).

Intensità di campo di interruzione a costi più elevati

Materiale _	Purezza	conducibilità termica (W/km)	elettrica relativa della costante	( kv/mm^(-1))	Breve Comme nt S
AL2O3	99%	29	9,7	10	migliori prestazioni a costo, Applicazioni molto più ampie
aln	99%	150	8,9	15	Performance più elevate, Ma
BEO
99%	310	6.4	10	polvere con altamente tossico, limite per utilizzare
SI3N4	99%	106	9,4	100	Prestazioni complessive ottimale
SIC	99%	270	40	0,7	Fit solo per applicazioni a bassa frequenza

Vediamo le brevi caratteristiche di queste 5 ceramiche avanzate per i substrati come segue:

1. Alumina (AL2O3)

I policristalli omogenei AL2O3 possono raggiungere più di 10 tipi e i principali tipi di cristalli sono i seguenti: α-al2O3, β-al2O3, γ-al2O3 e ZTA-AL2O3. Tra questi, α-al2O3 ha la più bassa attività ed è la più stabile tra le quattro forme di cristallo principali e la sua cellula unitaria è un romboedro appuntito, appartenente al sistema di cristalli esagonali. La struttura α-al2O3 è stretta, la struttura del corindone, può esistere stabilmente a tutte le temperature; Quando la temperatura raggiunge 1000 ~ 1600 ° C, altre varianti si trasformeranno irreversibilmente in α-al2O3.

Figura 1: microstruttura cristallina di AL2O3 in SEM

Con l'aumento della frazione di massa di AL2O3 e la diminuzione della corrispondente frazione di massa della fase di fase di vetro, la conduttività termica della ceramica AL2O3 aumenta rapidamente e quando la frazione di massa AL2O3 raggiunge il 99%, la sua conduttività termica viene raddoppiata rispetto a quella quando la frazione di massa è 90%.

Sebbene aumentare la frazione di massa di AL2O3 possa migliorare le prestazioni complessive della ceramica, aumenta anche la temperatura di sinterizzazione della ceramica, che indirettamente porta ad un aumento dei costi di produzione.

2. Nitruro di alluminio (ALN)

ALN è una specie di composto ⅲ-V di gruppo con struttura wurtzite. La sua cella unitaria è Aln4 Tetraedro, che appartiene al sistema di cristalli esagonali e ha un forte legame covalente, quindi ha eccellenti proprietà meccaniche e elevata resistenza alla flessione. Teoricamente, la sua densità cristallina è di 3,2611 g/cm3, quindi ha un'alta conducibilità termica e il cristallo Aln puro ha una conducibilità termica di 320 W/(m · k) a temperatura ambiente e la conduttività termica a caldo Il substrato può raggiungere 150 W/(M · K), che è più di 5 volte quello di AL2O3. Il coefficiente di espansione termica è 3,8 × 10-6 ~ 4,4 × 10-6/℃, che è ben abbinato al coefficiente di espansione termica dei materiali di chip semiconduttore come SI, SIC e GAAS.

Figura 2: polvere di nitruro di alluminio

Le ceramiche ALN hanno una conduttività termica più elevata rispetto alla ceramica AL2O3, che sostituisce gradualmente la ceramica AL2O3 in elettronica di alimentazione ad alta potenza e altri dispositivi che richiedono una conduzione ad alta calore e ha ampie prospettive di applicazione. Le ceramiche di Aln sono anche considerate il materiale preferito per la finestra di erogazione energetica di dispositivi elettronici a vuoto di potenza a causa del loro basso coefficiente di emissione di elettroni secondari.

3. Nitruro di silicio (SI3N4)

SI3N4 è un composto incollato covalentemente con tre strutture cristalline: α-Si3N4, β-Si3N4 e γ-Si3N4. Tra questi, α-Si3N4 e β-Si3N4 sono le forme di cristallo più comuni, con struttura esagonale. La conduttività termica del singolo cristallo SI3N4 può raggiungere 400 W/(M · K). Tuttavia, a causa del suo trasferimento di calore fonone, ci sono difetti reticolari come i posti vacanti e la dislocazione nel reticolo effettivo e le impurità causano l'aumento della dispersione di fononi, quindi la conducibilità termica della ceramica a fuoco effettivo è solo circa 20 W/(M · K) . Ottimizzando il processo di proporzione e sinterizzazione, la conducibilità termica ha raggiunto 106 W/(M · K). Il coefficiente di espansione termica di SI3N4 è di circa 3,0 × 10-6/ c, che è ben abbinato a materiali SI, SIC e GAAS, rendendo la ceramica SI3N4 un attraente materiale di substrato di ceramica per dispositivi elettronici ad alta conducibilità termica.

Figura 3: polvere di nitruro di silicio

Tra i substrati ceramici esistenti, i substrati ceramici SI3N4 sono considerati i migliori materiali ceramici con proprietà eccellenti come l'elevata durezza, l'elevata resistenza meccanica, la resistenza ad alta temperatura e la stabilità termica, la bassa costante dielettrica e la perdita dielettrica, la resistenza all'usura e la resistenza alla corrosione. Al momento, è favorito nell'imballaggio del modulo IGBT e sostituisce gradualmente i substrati ceramici AL2O3 e ALN.

4.Silicon Carbide (SIC)

Sic Crystal SIC è noto come materiale a semiconduttore di terza generazione, che presenta i vantaggi di grande gap di banda, alta tensione di rottura, alta conducibilità termica e alta velocità di saturazione elettronica.

Aggiungendo una piccola quantità di BEO e B2O3 a SIC per aumentare la sua resistività e quindi aggiungendo i corrispondenti additivi di sinterizzazione nella temperatura superiore a 1900 ℃ usando la sinterizzazione a caldo, è possibile preparare la densità di oltre il 98% delle ceramiche SiC. La conduttività termica della ceramica SIC con diversa purezza preparata con diversi metodi di sinterizzazione e additivi è di 100 ~ 490 W/(m · k) a temperatura ambiente. Poiché la costante dielettrica della ceramica SIC è molto grande, è adatta solo per applicazioni a bassa frequenza e non è adatta per applicazioni ad alta frequenza.

5. Beryllia (BEO)

La BEO è la struttura della wurtzite e la cellula è un sistema di cristalli cubici. La sua conducibilità termica è molto alta, la frazione di massa di BEO del 99% di ceramica BEO, a temperatura ambiente, la sua conduttività termica (conducibilità termica) può raggiungere 310W/(m · k), circa 10 volte la conduttività termica della stessa purezza al2O3 ceramica. Non solo ha una capacità di trasferimento di calore molto elevato, ma ha anche una bassa perdita di costante dielettrica e dielettrica e elevata isolamento e proprietà meccaniche, ma le ceramiche BEO sono il materiale preferito nell'applicazione di dispositivi e circuiti ad alta potenza che richiedono un'elevata conducibilità termica.

Figura 5: Struttura cristallina di Beryllia

L'elevata conduttività termica e le caratteristiche a bassa perdita di BEO sono finora senza eguali da altri materiali ceramici, ma BEO ha carenze molto evidenti e la sua polvere è altamente tossica.

Allo stato attuale, i materiali del substrato ceramico comunemente usato in Cina sono principalmente AL2O3, ALN e SI3N4. Il substrato ceramico realizzato dalla tecnologia LTCC può integrare componenti passivi come resistori, condensatori e induttori nella struttura tridimensionale. Contrariamente all'integrazione dei semiconduttori, che sono principalmente dispositivi attivi, LTCC ha capacità di cablaggio di interconnessione 3D ad alta densità.