Materijali i karakteristike keramičkih supstrata

Uz napredak i razvoj tehnologije, operativna struja, radna temperatura i frekvencija u uređajima postepeno su postajali viši. Da bi se zadovoljila pouzdanost uređaja i sklopova, veće zahtjeve su stavljeni za nosače čipova. Keramičke podloge široko se koriste na ovim poljima zbog svojih izvrsnih toplotnih svojstava, mikrotalasnih svojstava, mehaničkih svojstava i visoke pouzdanosti.

Trenutno su glavni keramički materijali koji se koriste u keramičkim podlozi su: alumina (AL2O3), aluminijum nitrid (aln), silicijum nitrid (si3n4), silicijum karbid (sic) i berilijum oksid (BERYLLIUM oksid (BERYLLIUM oksid (BERYLLIUM oksid (BERYLLIUM oksid ( BERYLLIUM oksid (BERYLLIUM oksid (BERYLLIUM oksid).

Ma terial		Toplinska provodljivost	čistoće	(W / km)	Relativni električni konstantni	intenzitet polja (kV / mm ^ (- 1))	Kratka comme NT S
al2O3	99%	29	9.7	10	Najbolji troškovi, Mnogo šire aplikacije
aln	99%	150	8.9	15	veće performanse, ali viši trošak
Beo	99%	310	6,4	10	prah sa vrlo otrovnim, ograničenje za korištenje
si3n4	99%	106	9.4	100	optimalno ukupne performanse
Sic	99%	270	40	0,7	odgovara samo za primjenu s niskim frekvencijama

Da vidimo kratke karakteristike ovih 5 naprednih keramike za podloge na sledeći način:

1. Alumina (AL2O3)

Al2O3 homogeni polikristi mogu dostići više od 10 vrsta, a glavne kristalne vrste su sljedeći: α-al2O3, β-al2O3, γ-al2O3 i ZTA-AL2O3. Među njima, α-al2O3 ima najnižu aktivnost i najstabilniji je među četiri glavne kristalne oblike, a njena jedinična ćelija je šiljasti rombohedron, pripadajući šesterokutnom kristalnom sistemu. Struktura α-Al2O3 je uska, struktura korunduma, može postojati složeno na svim temperaturama; Kada temperatura dosegne 1000 ~ 1600 ° C, ostale varijante će se nepovratno transformirati u α-al2o3.

Slika 1: Kristalno mikstrutur AL2O3 pod SEM

Povećanjem masovne frakcije AL2O3 i smanjenjem masovne mase stakla, toplotna provodljivost keramike u obliku AL2O3 poraste, a kada AL2O3 masovni frakcija dostigne 99%, njegova termička provodljivost udvostručuje se u odnosu na to kada je masovna frakcija 90%.

Iako povećavanje masovne frakcije AL2O3 može poboljšati ukupne performanse keramike, također povećava temperaturu sinterovanja keramike, koja indirektno dovodi do povećanja troškova proizvodnje.

2. Aluminijski nitrid (aln)

Aln je vrsta grupe ⅲ-v sa strukturom Wertožita. Njegova jedinica je Aln4 Tetrahedron, koja pripada šesterokutnom kristalnom sistemu i ima snažnu kovalentnu vezu, tako da ima odlična mehanička svojstva i visoku čvrstoću sa savijanjem. Teoretski, njegova kristalna gustoća je 3,2611g / cm3, tako da ima visoku toplinsku provodljivost, a čisti aln kristal ima termičku provodljivost od 320W / (m · k) na sobnoj temperaturi, a termička provodljivost vruće prešane Supstrat može dostići 150W / (M · K), što je više od 5 puta od AL2O3. Koeficijent toplotnog proširenja je 3,8 × 10-6 ~ 4,4 × 10-6 / ℃, koji je dobro usklađen sa termičkim koeficijentom ekspanzije poluvodičkih čipova, poput SI, SIC-a i Gaasa.

Slika 2: Prah aluminijumskog nitrida

Aln keramika ima veću toplotnu provodljivost od AL2O3 keramike koja postepeno zamjenjuje al2O3 keramiku u elektroničkoj elektroničkoj elektronici i drugim uređajima koji zahtijevaju veliku izmjenu topline i ima široke izglede za toplinu. Aln keramika također se smatraju preferiranim materijalom za prozor za isporuku energije elektroničkih uređaja vakuumskih elektronskih uređaja zbog njihovog niskog sekundarnog elektronskog koeficijenta elektrona.

3. Silicijum Nitrid (si3n4)

SI3N4 je kovalentno povezani spoj s tri kristalne konstrukcije: α-si3n4, β-si3n4 i γ-si3n4. Među njima je α-si3n4 i β-si3n4 najčešći kristalni oblici, sa šesterokutnom strukturom. Termička provodljivost jednog kristala SI3N4 može dostići 400W / (M · K). Međutim, zbog svog prenosa topline, postoje rešetke, poput konkursa i dislokacije u stvarnim rešetki, a nečistoće uzrokuju da se brbljanje naftonovima povećaju, tako da je toplotna provodljivost stvarne keramike samo oko 20W / (M · K) . Optimiziranjem procesa udjela i sinteru, termička provodljivost je dostigla 106W / (m · k). Termički koeficijent ekspanzije SI3N4 iznosi oko 3,0 × 10-6 / C, koji se dobro podudara sa Si, SIC i Gaas materijalima, izrađujući SI3N4 keramiku Atraktivni materijal za keramički supstrat za velike elektroničke uređaje za elektroničke uređaje.

Slika 3: Prah silikonskog nitrida

Među postojećim keramičkim supstratima smatra se najboljim keramičkim supstratima s odličnim svojstvima poput visoke tvrdoće, visoke mehaničke čvrstoće, visokoj temperaturnom otpornosti i toplinskoj stabilnosti, otpornost na habanje i otpornost na koroziju. Trenutno je favorizirano u igbt modulu pakiranje i postepeno zamjenjuje al2O3 i aln keramičke podloge.

4.Silicon karbid (sic)

Jedan kristal SIC poznat je kao poluvodički materijal treće generacije, koji ima prednosti velikog pojasa za bend, visokog prekida napona, visoku toplotnu provodljivost i brzinu za zasićenje visoke elektronske zasićenosti.

Dodavanjem male količine Beo i B2O3 na SiC da povećaju njegovu otpornost, a zatim dodaju odgovarajuće aditive za sintere na temperaturi iznad 1900 ℃ koristeći vruću sintranje, možete pripremiti gustoću više od 98% keramike za više od 98% keramike. Toplinska provodljivost SIC keramike sa različitim čistoćom pripremljenim po različitim metodama sinterovanja i aditiva je 100 · 490W / (m · k) na sobnoj temperaturi. Budući da je dielektrična konstanta SIC keramike vrlo velika, pogodna je samo za niskofrekventne aplikacije i nije prikladno za visokofrekventne aplikacije.

5. Beryllia (Beo)

BEO je struktura Wurtzite, a ćelija je kubni kristalni sistem. Njegova toplotna provodljivost je vrlo visoka, beo masovna djela od 99% beo keramike, na sobnoj temperaturi, njegova toplotna provodljivost (toplotna provodljivost) može doći do 310W / (m · k), oko 10 puta već iz toplinske provodljivosti iste keramike čistoće. Ne samo da ima vrlo visok kapacitet prijenosa topline, već ima i nizak dielektrični konstantni i dielektrični gubitak i visoku izolaciju i mehaničku svojstva, Beo Keramics je preferirani materijal u primjeni visoke toplotne provodljivosti.

Slika 5: Kristalna struktura berilije

Visoka toplotna provodljivost i karakteristike niskog gubitka Beogra su do sada neusporedili drugi keramički materijali, ali Beo ima vrlo očigledne nedostatke, a puder je vrlo toksičan.

Trenutno se obično koriste materijali za keramičku supstratu u Kini uglavnom su al2O3, aln i si3n4. Keramička supstrata koju je napravila LTCC tehnologija može integrirati pasivne komponente poput otpornika, kondenzatora i induktora u trodimenzionalnoj strukturi. Za razliku od integracije poluvodiča, koji su prvenstveno aktivni uređaji, LTCC ima mogućnosti ožičenja sa visokim gustoćom 3D interkonekta.