Materialer og egenskaber ved keramiske underlag

Med fremskridt og udvikling af teknologi er driftsstrømmen, arbejdstemperaturen og hyppigheden i enheder gradvist blevet højere. For at imødekomme pålideligheden af ​​enheder og kredsløb er der blevet fremsat højere krav til chipbærere. Keramiske underlag er vidt brugt på disse felter på grund af deres fremragende termiske egenskaber, mikrobølgeegenskaber, mekaniske egenskaber og høj pålidelighed.

På nuværende tidspunkt er de vigtigste keramiske materialer, der anvendes i keramiske underlag: aluminiumoxid (AL2O3), aluminiumnitrid (ALN), siliciumnitrid (Si3N4), siliciumcarbid (SIC) og berylliumoxid (BEO).

Materiale _	Renhed	termisk ledningsevne (W/km)	Relativ elektrisk konstant	forstyrrende feltintensitet (kV/mm^(-1))	Kort comme nt S
AL2O3	99%	29	9,7	10	Bedste omkostningsydelser, Meget bredere applikationer
Aln	99%	150	8,9	15	Højere ydelse, Men højere omkostninger
Beo	99%	310	6,4	10	Pulver med meget giftigt, grænse for at bruge
Si3N4	99%	106	9,4	100	Optimal samlet ydelse
SIC	99%	270	40	0,7	Fit kun til lavfrekvente applikationer

Lad os se de korte egenskaber ved disse 5 avancerede keramik for underlag som følger:

1. Aluminiumoxid (AL2O3)

Al2O3-homogene polykrystaller kan nå mere end 10 slags, og de vigtigste krystallyper er som følger: α-al2O3, ß-al2O3, γ-Al2O3 og ZTA-Al2O3. Blandt dem har a-al2O3 den laveste aktivitet og er den mest stabile blandt de fire vigtigste krystalformer, og dens enhedscelle er en spids rhombohedron, der hører til det hexagonale krystalsystem. α-Al2O3-struktur er stram, korundstruktur, kan eksistere stabilt ved alle temperaturer; Når temperaturen når 1000 ~ 1600 ° C, vil andre varianter irreversibelt omdannes til a-al2O3.

Figur 1: Krystalmikrostrutur af AL2O3 under SEM

Med stigningen i Al2O3 -massefraktion og faldet i den tilsvarende glasfase -massefraktion, stiger den termiske ledningsevne af Al2O3 -keramik hurtigt, og når Al2O3 -massefraktionen når 99%, er dens termiske ledningsevne fordoblet sammenlignet med det, når massefraktionen er 90%.

Selvom forøgelse af massefraktionen af ​​AL2O3 kan forbedre den samlede ydelse af keramik, øger den også sintringstemperaturen for keramik, hvilket indirekte fører til en stigning i produktionsomkostningerne.

2. Aluminiumsnitrid (ALN)

ALN er en slags gruppe ⅲ-V-sammensætning med wurtzitstruktur. Dets enhedscelle er ALN4 tetrahedron, der hører til hexagonalt krystalsystem og har en stærk kovalent binding, så det har fremragende mekaniske egenskaber og høj bøjningsstyrke. Teoretisk set er dens krystaltæthed 3.2611g/cm3, så den har høj termisk ledningsevne, og den rene Aln-krystal har en termisk ledningsevne på 320W/(M · K) ved stuetemperatur, og den termiske ledningsevne for den varmpressede fyrede ALN Substratet kan nå 150W/(M · K), hvilket er mere end 5 gange det for Al2O3. Den termiske ekspansionskoefficient er 3,8 × 10-6 ~ 4,4 × 10-6/℃, hvilket er godt matchet med den termiske ekspansionskoefficient for halvlederchipmaterialer såsom SI, SIC og GAAS.

Figur 2: Pulver af aluminiumnitrid

ALN-keramik har højere termisk ledningsevne end AL2O3-keramik, som gradvist erstatter AL2O3-keramik i højeffektkraftelektronik og andre enheder, der kræver høj varmeeledning, og har brede applikationsudsigter. ALN -keramik betragtes også som det foretrukne materiale til energileveringsvinduet med elektroniske elektroniske enheder på grund af deres lave sekundære elektronemissionskoefficient.

3. Siliciumnitrid (SI3N4)

Si3N4 er en kovalent bundet forbindelse med tre krystalstrukturer: α-Si3N4, ß-Si3N4 og y-Si3N4. Blandt dem er a-Si3N4 og ß-Si3N4 de mest almindelige krystalformer med hexagonal struktur. Den termiske ledningsevne af en enkelt krystal Si3N4 kan nå 400W/(M · K). På grund af dens fononvarmeoverførsel er der imidlertid gitterdefekter, såsom ledig stilling og dislokation i den faktiske gitter, og urenheder får fononspredning til at stige, så den termiske ledningsevne af den faktiske fyrede keramik er kun ca. 20W/(M · K) . Ved at optimere andelen og sintringsprocessen har den termiske ledningsevne nået 106W/(M · K). Den termiske ekspansionskoefficient for Si3N4 er ca. 3,0 × 10-6/ C, hvilket er godt matchet med SI-, SIC- og GAAS-materialer, hvilket gør Si3N4-keramik til et attraktivt keramisk substratmateriale til elektroniske enheder med høj termisk ledningsevne.

Figur 3: Pulver af siliciumnitrid

Blandt de eksisterende keramiske underlag betragtes Si3N4 keramiske underlag som de bedste keramiske materialer med fremragende egenskaber såsom høj hårdhed, høj mekanisk styrke, høj temperaturresistens og termisk stabilitet, lav dielektrisk konstant og dielektrisk tab, slidstyrke og korrosionsbestandighed. På nuværende tidspunkt foretrækkes det i IGBT -modulemballage og erstatter gradvist AL2O3 og ALN keramiske underlag.

4.Silicon Carbide (SIC)

Enkelt krystalsic er kendt som den tredje generation af halvledermateriale, der har fordelene ved stort båndgap, høj nedbrydningsspænding, høj termisk ledningsevne og høj elektronmætningshastighed.

Ved at tilføje en lille mængde BEO og B2O3 til SIC for at øge dens resistivitet og derefter tilføje de tilsvarende sintring -tilsætningsstoffer i temperaturen over 1900 ℃ Ved hjælp af varm pressende sintring kan du forberede densiteten af ​​mere end 98% af SIC -keramikken. Den termiske ledningsevne af SIC -keramik med forskellig renhed fremstillet ved forskellige sintringsmetoder og tilsætningsstoffer er 100 ~ 490W/(M · K) ved stuetemperatur. Da den dielektriske konstant af SIC-keramik er meget stor, er den kun egnet til lavfrekvente applikationer og er ikke egnet til højfrekvente applikationer.

5. Beryllia (BEO)

BEO er wurtzitstruktur, og cellen er kubisk krystalsystem. Dens termiske ledningsevne er meget høj, BEO -massefraktion på 99% BEO -keramik, ved stuetemperatur, kan dens termiske ledningsevne (termisk ledningsevne) nå 310W/(M · K), ca. 10 gange den termiske ledningsevne af den samme renhed Al2O3 keramik. Ikke kun har en meget høj varmeoverførselskapacitet, men har også lav dielektrisk konstant og dielektrisk tab og høj isolering og mekaniske egenskaber, BEO-keramik er det foretrukne materiale i anvendelsen af ​​højeffektenheder og kredsløb, der kræver høj termisk ledningsevne.

Figur 5: Krystallstruktur af Beryllia

BEO's høje termiske ledningsevne og lave tab er hidtil uovertruffen af ​​andre keramiske materialer, men BEO har meget åbenlyse mangler, og dets pulver er meget giftigt.

På nuværende tidspunkt er de almindeligt anvendte keramiske substratmaterialer i Kina hovedsageligt Al2O3, Aln og Si3N4. Det keramiske underlag fremstillet af LTCC-teknologi kan integrere passive komponenter, såsom modstande, kondensatorer og induktorer i den tredimensionelle struktur. I modsætning til integrationen af ​​halvledere, der primært er aktive enheder, har LTCC høj densitet 3D-forbindelsesledningsfunktioner.