Material och egenskaper hos keramiska underlag

Med framsteg och utveckling av teknik har driftsströmmen, arbetstemperaturen och frekvensen i enheter gradvis blivit högre. För att uppfylla pålitligheten hos enheter och kretsar har högre krav lagts fram för chipbärare. Keramiska underlag används ofta i dessa fält på grund av deras utmärkta termiska egenskaper, mikrovågsegenskaper, mekaniska egenskaper och hög tillförlitlighet.

För närvarande är de huvudsakliga keramiska materialen som används i keramiska underlag: aluminiumoxid (Al2O3), aluminiumnitrid (ALN), kiselnitrid (Si3N4), kiselkarbid (Sic) och berylliumoxid (BEO).

Mameral _	Renhet	värmeledningsförmåga (W/km)	Relativ elektrisk konstant	störande fältintensitet (kV/mm^(-1))	Kort kommando nt S
Al2O3	99%	29	9,7	10	Bästa kostnadsprestanda, Mycket bredare applikationer
aln	99%	150	8.9	15	högre prestanda, men högre
kostnadsbeo	99%	310	6,4	10	Pulver med mycket giftigt, gräns för att använda
SI3N4	99%	106	9,4	100	Optimal totalprestanda
SIC	99%	270	40	0,7	Endast passande för lågfrekventa applikationer

Låt oss se de korta egenskaperna hos dessa 5 avancerade keramik för substrat enligt följande:

1. ALUMINA (AL2O3)

Al2O3-homogena polykristaller kan nå mer än 10 slag, och de viktigaste kristalltyperna är följande: a-Al2O3, ß-Al2O3, y-Al2O3 och ZTA-AL2O3. Bland dem har a-AL2O3 den lägsta aktiviteten och är den mest stabila bland de fyra huvudkristallformerna, och dess enhetscell är en spetsig rhombohedron som tillhör hexagonal kristallsystemet. a-AL2O3-strukturen är snäv, korundstruktur, kan existera stabilt vid alla temperaturer; När temperaturen når 1000 ~ 1600 ° C kommer andra varianter att irreversibelt omvandlas till a-AL2O3.

Bild 1: Kristallmikrostrutning av AL2O3 under SEM

Med ökningen av Al2O3 -massfraktionen och minskningen av motsvarande glasfasmassafraktion, stiger värmeledningsförmågan hos Al2O3 -keramik snabbt, och när Al2O3 -massfraktionen når 99%, fördubblas dess värmeledningsförmåga jämfört med den när massfraktionen är 90%.

Även om att öka massfraktionen av Al2O3 kan förbättra keramikens totala prestanda, ökar det också sintringstemperaturen för keramik, vilket indirekt leder till en ökning av produktionskostnaderna.

2. Aluminiumnitrid (ALN)

ALN är en slags grupp ⅲ-V-förening med wurtzitstruktur. Dess enhetscell är Aln4 -tetrahedron, som tillhör hexagonalt kristallsystem och har stark kovalent bindning, så den har utmärkta mekaniska egenskaper och hög böjningsstyrka. Teoretiskt sett är dess kristalldensitet 3,2611g/cm3, så den har hög värmeledningsförmåga, och den rena ALN-kristallen har en värmeledningsförmåga på 320W/(m · k) vid rumstemperatur och värmeledningsförmågan hos den hotpressade skjutna ALN Substrat kan nå 150W/(m · k), vilket är mer än 5 gånger det för AL2O3. Den termiska expansionskoefficienten är 3,8 × 10-6 ~ 4,4 × 10-6/℃, som är väl matchade med den termiska expansionskoefficienten för halvledarchipmaterial såsom Si, SiC och GaAs.

Bild 2: Pulver av aluminiumnitrid

ALN-keramik har högre värmeledningsförmåga än Al2O3-keramik, som gradvis ersätter Al2O3-keramik i högeffekteffektelektronik och andra enheter som kräver hög värmeledning och har breda applikationsmöjligheter. ALN -keramik betraktas också som det föredragna materialet för energileveransfönstret för kraftvakuumelektroniska anordningar på grund av deras låg sekundära elektronemissionskoefficient.

3. Kiselnitrid (SI3N4)

Si3N4 är en kovalent bunden förening med tre kristallstrukturer: a-SI3N4, ß-Si3N4 och y-Si3N4. Bland dem är a-SI3N4 och ß-SI3N4 de vanligaste kristallformerna, med hexagonal struktur. Värmeledningsförmågan hos enkristall SI3N4 kan nå 400W/(m · k). På grund av dess fononvärmeöverföring finns det emellertid gitterfel som vakans och dislokation i det faktiska gitteret, och föroreningar orsakar att fononspridning ökar, så värmeledningsförmågan hos den faktiska avfyrade keramiken är bara cirka 20W/(m · k) . Genom att optimera proportion och sintringsprocess har värmeledningsförmågan nått 106W/(m · k). Den termiska expansionskoefficienten för Si3N4 är cirka 3,0 × 10-6/ c, vilket är väl matchat med Si-, SiC- och GaAS-material, vilket gör SI3N4-keramik till ett attraktivt keramiskt substratmaterial för elektroniska enheter med hög termisk konduktivitet.

Bild 3: Pulver av kiselnitrid

Bland de befintliga keramiska substraten anses SI3N4 keramiska substrat vara de bästa keramiska materialen med utmärkta egenskaper såsom hög hårdhet, hög mekanisk styrka, hög temperaturbeständighet och termisk stabilitet, låg dielektrisk konstant och dielektrisk förlust, slitbeständighet och korrosionsbeständighet. För närvarande gynnas det i IGBT -modulförpackning och ersätter gradvis Al2O3 och ALN keramiska substrat.

4.Silicon Carbide (sic)

Enkristall SIC är känd som tredje generationens halvledarmaterial, som har fördelarna med stort bandgap, hög nedbrytningsspänning, hög värmeledningsförmåga och hög elektronmättnadshastighet.

Genom att lägga till en liten mängd BEO och B2O3 till SIC för att öka dess resistivitet och sedan lägga till motsvarande sintringstillsatser i temperaturen över 1900 ℃ med varm pressande sintring kan du förbereda densiteten på mer än 98% av Sic keramik. SIC -keramikens värmeledningsförmåga med olika renheter framställda med olika sintringsmetoder och tillsatser är 100 ~ 490W/(m · k) vid rumstemperatur. Eftersom den dielektriska konstanten för SIC-keramik är mycket stor är den endast lämplig för lågfrekventa applikationer och inte är lämplig för högfrekventa applikationer.

5. Beryllia (beo)

BEO är wurtzitstruktur och cellen är kubiskt kristallsystem. Dess värmeledningsförmåga är mycket hög, BEO -massfraktion av 99% BEO -keramik, vid rumstemperatur, dess värmeledningsförmåga (värmeledningsförmåga) kan nå 310W/(M · K), ungefär 10 gånger värmeledningsförmågan för samma renhet Al2O3 -keramik. Inte bara har en mycket hög värmeöverföringskapacitet, utan har också låg dielektrisk konstant och dielektrisk förlust och hög isolering och mekaniska egenskaper, BEO-keramik är det föredragna materialet vid applicering av högeffektanordningar och kretsar som kräver hög värmeledningsförmåga.

Bild 5: Kristallstruktur av Beryllia

Den höga värmeledningsförmågan och lågförlustegenskaperna hos BEO är hittills oöverträffade av andra keramiska material, men BEO har mycket uppenbara brister, och dess pulver är mycket giftigt.

För närvarande är de vanligt använda keramiska substratmaterialet i Kina huvudsakligen AL2O3, ALN och SI3N4. Det keramiska underlaget tillverkat av LTCC-teknik kan integrera passiva komponenter såsom motstånd, kondensatorer och induktorer i den tredimensionella strukturen. Till skillnad från integrationen av halvledare, som främst är aktiva enheter, har LTCC högdensitet 3D-sammankopplingsförmågor.