Materialen en kenmerken van keramische substraten

Met de voortgang en ontwikkeling van technologie zijn de bedrijfsstroom, werktemperatuur en frequentie in apparaten geleidelijk hoger. Om aan de betrouwbaarheid van apparaten en circuits te voldoen, zijn hogere vereisten voor chipdragers naar voren gesteld. Keramische substraten worden op grote schaal gebruikt in deze velden vanwege hun uitstekende thermische eigenschappen, magnetron -eigenschappen, mechanische eigenschappen en hoge betrouwbaarheid.

Momenteel zijn de belangrijkste keramische materialen die worden gebruikt in keramische substraten: aluminiumoxide (AL2O3), aluminiumnitride (ALN), siliciumnitride (SI3N4), siliciumcarbide (sic) en berylliumoxide (beo).

Machinaal _	Zuiverheid	thermische geleidbaarheid (W/km)	Relatieve elektrische constante	disruptieve veldintensiteit (kv/mm^(-1))	Korte comme nt s
al2o3	99%	29	9,7	10	Beste kostenprestaties, Veel bredere toepassingen
Aln	99%	150	8.9	15	Hogere prestaties, Maar hogere kosten
beo	99%	310	6,4	10	Poeder met zeer giftige, limiet u
SI3N4	99%	106	9,4	100	Optimale algehele prestaties
SiC	99%	270	40	0,7	alleen geschikt voor laagfrequente toepassingen

Laten we de korte kenmerken van deze 5 geavanceerde keramiek voor substraten als volgt bekijken:

1. Alumina (AL2O3)

Al2O3 homogene polykristallen kunnen meer dan 10 soorten bereiken, en de belangrijkste kristaltypen zijn als volgt: α-AL2O3, β-Al2O3, γ-AL2O3 en ZTA-AL2O3. Onder hen heeft α-Al2O3 de laagste activiteit en is de meest stabiele van de vier hoofdkristalvormen, en de eenheidscel is een puntig rhombohedron, behorend tot het zeshoekige kristallen systeem. α-Al2O3-structuur is strak, korundstructuur, kan stabiel bij alle temperaturen bestaan; Wanneer de temperatuur 1000 ~ 1600 ° C bereikt, zullen andere varianten onomkeerbaar transformeren in α-Al2O3.

Figuur 1: Kristal microstruture van Al2O3 onder SEM

Met de toename van Al2O3 -massafractie en de afname van de overeenkomstige glasfasefractie, stijgt de thermische geleidbaarheid van Al2O3 -keramiek snel, en wanneer de Al2O3 -massafractie 99%bereikt, wordt de thermische geleidbaarheid verdubbeld in vergelijking met die wanneer de massafractie is wanneer de massafractie is 90%.

Hoewel het verhogen van de massafractie van Al2O3 de algehele prestaties van keramiek kan verbeteren, verhoogt het ook de sintertemperatuur van keramiek, wat indirect leidt tot een toename van de productiekosten.

2. Aluminium nitride (ALN)

Aln is een soort groep ⅲ-V-verbinding met Wurtzite-structuur. De eenheidscel is Aln4 Tetrahedron, dat tot het zeshoekige kristallen systeem behoort en een sterke covalente binding heeft, dus het heeft uitstekende mechanische eigenschappen en hoge buigsterkte. Theoretisch is de kristaldichtheid 3,2611 g/cm3, dus het heeft een hoge thermische geleidbaarheid, en het zuivere Aln-kristal heeft een thermische geleidbaarheid van 320 W/(m · k) bij kamertemperatuur en de thermische geleidbaarheid van de warm ingedrukte vuur Substraat kan 150 W/(M · K) bereiken, wat meer dan 5 keer die van Al2O3 is. De thermische expansiecoëfficiënt is 3,8 × 10-6 ~ 4,4 × 10-6/℃, die goed is gematcht met de thermische expansiecoëfficiënt van halfgeleiderchipmaterialen zoals SI, SIC en GaAs.

Figuur 2: Poeder van aluminium nitride

Aln Ceramics heeft een hogere thermische geleidbaarheid dan Al2O3-keramiek, die geleidelijk Al2O3-keramiek vervangt in krachtige elektronica van kracht en andere apparaten die een hoge warmtegeleiding vereisen en brede toepassingsperspectieven heeft. Aln Ceramics wordt ook beschouwd als het voorkeursmateriaal voor het energieafgiftekweer van stroomvacuüm elektronische apparaten vanwege hun lage secundaire elektronenemissiecoëfficiënt.

3. Siliconennitride (SI3N4)

SI3N4 is een covalent gebonden verbinding met drie kristalstructuren: α-Si3N4, β-Si3N4 en y-Si3N4. Onder hen zijn α-Si3N4 en β-Si3N4 de meest voorkomende kristalvormen, met zeshoekige structuur. De thermische geleidbaarheid van Si3N4 met één kristal kan 400 W/(M · K) bereiken. Vanwege de fononwarmteoverdracht zijn er echter roosterdefecten zoals leegstand en dislocatie in het eigenlijke rooster, en onzuiverheden zorgen ervoor . Door het verhoudings- en sinterproces te optimaliseren, heeft de thermische geleidbaarheid 106W/(M · K) bereikt. De thermische expansiecoëfficiënt van SI3N4 is ongeveer 3,0 x 10-6/ c, wat goed is afgestemd op Si-, SIC- en GaAs-materialen, waardoor SI3N4-keramiek een aantrekkelijk keramisch substraatmateriaal is voor elektronische apparaten met hoge thermische geleidbaarheid.

Figuur 3: poeder van siliciumnitride

Onder de bestaande keramische substraten worden SI3N4 -keramische substraten beschouwd als de beste keramische materialen met uitstekende eigenschappen zoals hoge hardheid, hoge mechanische sterkte, hoge temperatuurweerstand en thermische stabiliteit, lage diëlektrische constante en diëlektrisch verlies, slijtvastheid en corrosieweerstand. Momenteel wordt het begunstigd in IGBT -moduleverpakking en vervangt het Al2O3- en ALN ​​-keramische substraten geleidelijk.

4.Silicon Carbide (sic)

Single Crystal SIC staat bekend als het halfgeleider van de derde generatie, dat de voordelen heeft van grote bandafstand, hoge afbraakspanning, hoge thermische geleidbaarheid en hoge elektronenverzadigingssnelheid.

Door een kleine hoeveelheid Beo en B2O3 aan SIC toe te voegen om de weerstand te vergroten en vervolgens de overeenkomstige sinters -additieven in de temperatuur boven 1900 ℃ toe te voegen met behulp van hete presserende sintering, kunt u de dichtheid van meer dan 98% van SIC -keramiek voorbereiden. De thermische geleidbaarheid van SIC -keramiek met verschillende zuiverheid bereid door verschillende sintermethoden en additieven is 100 ~ 490W/(m · k) bij kamertemperatuur. Omdat de diëlektrische constante van SIC-keramiek erg groot is, is het alleen geschikt voor laagfrequente toepassingen en is het niet geschikt voor hoogfrequente toepassingen.

5. Beryllia (beo)

De beo is wurtzietstructuur en de cel is kubisch kristallen systeem. De thermische geleidbaarheid is zeer hoog, de beo -massafractie van 99% beo -keramiek, bij kamertemperatuur, de thermische geleidbaarheid (thermische geleidbaarheid) kan 310W/(m · k) bereiken, ongeveer 10 keer de thermische geleidbaarheid van dezelfde zuiverheid Al2O3 -keramiek. Niet alleen heeft een zeer hoge warmteoverdrachtcapaciteit, maar heeft ook een laag diëlektrische constante en diëlektrisch verlies en hoge isolatie en mechanische eigenschappen, BEO-keramiek is het voorkeursmateriaal bij de toepassing van opvallende apparaten en circuits die een hoge thermische geleidbaarheid vereisen.

Figuur 5: Kristalstructuur van Beryllia

De hoge thermische geleidbaarheid en lage verlieskenmerken van BEO zijn tot nu toe ongeëvenaard door andere keramische materialen, maar Beo heeft zeer duidelijke tekortkomingen en het poeder is zeer giftig.

Momenteel zijn de veelgebruikte keramische substraatmaterialen in China voornamelijk AL2O3, ALN en SI3N4. Het keramische substraat gemaakt door LTCC-technologie kan passieve componenten zoals weerstanden, condensatoren en inductoren in de driedimensionale structuur integreren. In tegenstelling tot de integratie van halfgeleiders, die voornamelijk actieve apparaten zijn, heeft LTCC 3D-interconnect bedrading met hoge dichtheid.