Материалы и характеристики керамических субстратов

Благодаря прогрессу и разработке технологий, эксплуатационный ток, рабочая температура и частота в устройствах постепенно становятся выше. Чтобы соответствовать надежности устройств и схем, для носителей чипсов были выдвинуты более высокие требования. Керамические субстраты широко используются в этих областях из -за их превосходных тепловых свойств, микроволновых свойств, механических свойств и высокой надежности.

В настоящее время основными керамическими материалами, используемыми в керамических субстратах, являются: глинозем (Al2O3), нитрид алюминия (Aln), нитрид кремния (Si3n4), карбид кремния (sic) и оксид бериллия (BEO).

Ма -териал	Чистота	теплопроводности (W/км)	Относительная	интенсивность электрической постоянной подрывной поля (кВ/мм^(-1))	Краткое общение S
al2o3	99%	29	9,7	10	лучшая стоимость Гораздо более широкие приложения
Aln	99%	150	8,9	15	более высокая производительность, но более высокая стоимость
beo	99%	310	6,4	10	Порошок с высокой токсичной, ограничение для использования
SI3N4	99%	106	9,4	100	Оптимальная общая производительность
SIC	99%	270	40	0,7	Подходит только для низкочастотных применений

Давайте посмотрим на краткие характеристики этих 5 передовых керамиков для субстратов следующим образом:

1. Ошибка (AL2O3)

Гомогенные поликристаллы AL2O3 могут достигать более 10 видов, а основные типы кристаллов следующие: α-AL2O3, β-AL2O3, γ-AL2O3 и ZTA-AL2O3. Среди них α-Al2O3 обладает самой низкой активностью и является наиболее стабильной среди четырех основных кристаллических форм, а его единичная ячейка представляет собой заостренный ромбоэдр, принадлежащий к шестиугольной кристаллической системе. Структура α-Al2O3 жесткая, структура корунда, может существовать стабильно при всех температурах; Когда температура достигает 1000 ~ 1600 ° C, другие варианты необратимо преобразуют в α-Al2O3.

Рисунок 1: Кристаллическая микроструктура AL2O3 в SEM

При увеличении массовой фракции Al2O3 и уменьшением соответствующей массовой фракции стеклянной фазы теплопроводность керамики Al2O3 быстро возрождается, и когда массовая фракция Al2O3 достигает 99%, ее теплопроводность удвоится по сравнению с тем, что, когда массовая фракция 90%.

Хотя увеличение массовой доли Al2O3 может улучшить общую производительность керамики, она также повышает температуру спекания керамики, что косвенно приводит к увеличению производственных затрат.

2. Нитрид алюминия (ALN)

ALN-это своего рода групповое соединение ⅲ-V со структурой вюрцита. Его единичная ячейка - Aln4 Tetrahedron, который принадлежит к шестиугольной кристаллической системе и имеет прочную ковалентную связь, поэтому она обладает превосходными механическими свойствами и высокой прочностью изгиба. Теоретически, его плотность кристаллов составляет 3,2611 г/см3, поэтому она обладает высокой теплопроводности, а кристалл чистого Aln имеет теплопроводность 320 Вт/(м · k) при комнатной температуре, а теплопроводность сжигаемого горячего нажима. Субстрат может достигать 150 Вт/(M · K), что более чем в 5 раз больше, чем у Al2O3. Коэффициент термического расширения составляет 3,8 × 10-6 ~ 4,4 × 10-6/℃, что хорошо сочетается с коэффициентом термического расширения материалов полупроводникового чипа, таких как Si, SIC и GaAs.

Рисунок 2: Порошок нитрида алюминия

Керамика ALN обладает более высокой теплопроводностью, чем керамика AL2O3, которая постепенно заменяет керамику AL2O3 в мощной электронике и других устройствах, требующих высокой теплопроводности, и имеет широкие перспективы применения. Керамика Aln также рассматривается как предпочтительный материал для окна подачи энергии вакуумных электронных устройств из -за их низкого вторичного коэффициента излучения электронов.

3. Нитрид кремния (SI3N4)

SI3N4 представляет собой ковалентно связанное соединение с тремя кристаллическими структурами: α-SI3N4, β-SI3N4 и γ-SI3N4. Среди них α-SI3N4 и β-SI3N4 являются наиболее распространенными кристаллическими формами, с гексагональной структурой. Теплопроводность монокристаллического Si3n4 может достигать 400 Вт/(M · K). Однако из -за его фонона теплопередачи существуют дефекты решетки, такие как вакансия и вывих в фактической решетке, и примеси приводят к увеличению рассеяния фонона, поэтому теплопроводность фактической запускаемой керамики составляет всего около 20 Вт/(M · K) Полем Оптимизируя процесс доли и спекания, теплопроводность достигла 106 Вт/(M · K). Коэффициент термического расширения SI3N4 составляет около 3,0 × 10-6/ C, что хорошо сочетается с материалами SI, SIC и GAAS, что делает Ceramics SI3N4 привлекательным керамическим субстратным материалом для электронных устройств с высокой теплопроводностью.

Рисунок 3: Порошок нитрида кремния

Среди существующих керамических субстратов керамические субстраты SI3N4 считаются лучшими керамическими материалами с превосходными свойствами, такими как высокая твердость, высокая механическая прочность, высокая температурная устойчивость и тепловая стабильность, низкая диэлектрическая постоянная и диэлектрическая потеря, сопротивление износостойкости и сопротивление коррозии. В настоящее время он предпочитается в упаковке модуля IGBT и постепенно заменяет керамические субстраты AL2O3 и ALN.

4. Силикон карбид (sic)

Монокристаллический SIC известен как полупроводниковый материал третьего поколения, который обладает преимуществами большой полосы, высокого напряжения разбивки, высокой теплопроводности и высокой скорости насыщения электронов.

Добавив небольшое количество BEO и B2O3 в SIC, чтобы увеличить удельное сопротивление, а затем добавить соответствующие спекания при температуре выше 1900 года ℃, используя горячее прессование спекания, вы можете приготовить плотность более 98% керамики SIC. Теплопроводность SIC Ceramics с различной чистотой, приготовленной различными методами спекания и добавками, составляет 100 ~ 490 Вт/(M · K) при комнатной температуре. Поскольку диэлектрическая постоянная керамики SIC очень большая, она подходит только для низкочастотных применений и не подходит для высокочастотных применений.

5. Берилия (Бео)

BEO - это структура Вюрцита, а ячейка - это кубическая кристаллическая система. Его теплопроводность очень высока, массовая фракция BEO 99% BEO Ceramics, при комнатной температуре, ее теплопроводность (теплопроводность) может достигать 310 Вт/(M · K), примерно в 10 раз превышает теплопроводность той же чистоты Al2O3 Ceramics. Мало того, что обладает очень высокой пропускной способностью теплопередачи, но также имеет низкую диэлектрическую постоянную и диэлектрическую потерю и высокую изоляцию и механические свойства, керамика BEO является предпочтительным материалом в применении мощных устройств и схем, требующих высокой теплопроводности.

Рисунок 5: Кристаллическая структура Берилии

Высокая теплопроводность и низкие характеристики BEO на до сих пор не имеют себе равных от других керамических материалов, но BEO имеет очень очевидные недостатки, а его порошок очень токсичен.

В настоящее время широко используемыми керамическими субстратными материалами в Китае в основном являются Al2O3, Aln и Si3n4. Керамический субстрат, изготовленный с помощью технологии LTCC, может интегрировать пассивные компоненты, такие как резисторы, конденсаторы и индукторы в трехмерную структуру. В отличие от интеграции полупроводников, которые в основном являются активными устройствами, LTCC обладает возможностями трехмерных соединений с высокой плотностью.