Seramik substratların malzemeleri ve özellikleri

Teknolojinin ilerlemesi ve geliştirilmesi ile cihazlardaki çalışma akımı, çalışma sıcaklığı ve sıklığı kademeli olarak artmaktadır. Cihazların ve devrelerin güvenilirliğini karşılamak için çip taşıyıcıları için daha yüksek gereksinimler ortaya konmuştur. Seramik substratlar, mükemmel termal özellikleri, mikrodalga özellikleri, mekanik özellikleri ve yüksek güvenilirliği nedeniyle bu alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.

Şu anda, seramik substratlarda kullanılan ana seramik malzemeler şunlardır: alümina (AL2O3), alüminyum nitrür (ALN), silikon nitrür (SI3N4), silikon karbür (sic) ve berilyum oksit (BEO).

Malzeme _	Saflık	termal iletkenlik (W/km)	Göreceli elektrik sabit	yıkıcı alan yoğunluğu (kv/mm^(-1))	Kısa Comme nt s
al2o3	% 99%	29	9.7	10	En iyi maliyet performansı, Çok daha geniş uygulamalar
aln	% 99	150	8.9	15	Daha yüksek performans, Ama daha yüksek maliyetli
beo	99%	310	6.4	10	Yüksek toksik olan toz ,
SI3N4	99%	106	9.4	100	Optimal Genel Performans
SIC	% 99%	270	40	0.7	Sadece düşük frekanslı uygulamalar için uygun

Substratlar için bu 5 gelişmiş seramiğin kısa özelliklerini aşağıdaki gibi görelim:

1. Alümina (AL2O3)

AL2O3 homojen polikristaller 10'dan fazla türe ulaşabilir ve ana kristal tipleri aşağıdaki gibidir: α-Al2O3, β-Al2O3, γ-Al2O3 ve Zta-Al2O3. Bunlar arasında, a-Al2O3 en düşük aktiviteye sahiptir ve dört ana kristal formu arasında en kararlıdır ve birim hücresi, altıgen kristal sistemine ait sivri bir eşkenarcıdrondur. a-al2O3 yapısı sıkıdır, korundum yapısı, tüm sıcaklıklarda stabil bir şekilde var olabilir; Sıcaklık 1000 ~ 1600 ° C'ye ulaştığında, diğer varyantlar geri dönüşü olmayan bir şekilde a-Al2O3'e dönüşecektir.

Şekil 1: SEM altında AL2O3'ün kristal mikrostrüktürü

AL2O3 kütle fraksiyonunun artması ve karşılık gelen cam faz kütle fraksiyonunun azalması ile, AL2O3 seramiklerinin termal iletkenliği hızla yükselir ve AL2O3 kütle fraksiyonu%99'a ulaştığında, kütle fraksiyonu olduğu zaman, termal iletkenliği ile karşılaştırıldığında iki katına çıkar. %90.

Al2O3'ün kütle fraksiyonunun arttırılması seramiklerin genel performansını artırabilse de, seramiklerin sinterleme sıcaklığını arttırır, bu da dolaylı olarak üretim maliyetlerinde bir artışa yol açar.

2. Alüminyum Nitrür (ALN)

ALN, wurtzit yapısına sahip bir tür grup ⅲ-V bileşiğidir. Birim hücresi, altıgen kristal sistemine ait ve güçlü kovalent bağa sahip olan Aln4 tetrahedrondur, bu nedenle mükemmel mekanik özelliklere ve yüksek bükülme mukavemetine sahiptir. Teorik olarak, kristal yoğunluğu 3.2611g/cm3'tür, bu nedenle yüksek termal iletkenliğe sahiptir ve saf aln kristalinin oda sıcaklığında 320W/(m · k) termal iletkenliğine sahiptir ve sıcak preslenmiş ateşlenmiş Aln'in termal iletkenliği vardır Substrat, AL2O3'ün 5 katından fazla olan 150W/(M · K) 'a ulaşabilir. Termal genleşme katsayısı 3.8 × 10-6 ~ 4.4 × 10-6/℃ 'dir, bu da SI, SIC ve GAAS gibi yarı iletken çip malzemelerinin termal genleşme katsayısı ile iyi eşleşir.

Şekil 2: Alüminyum nitrür tozu

ALN seramikleri, yüksek güçlü güç elektroniğinde ve yüksek ısı iletimi gerektiren diğer cihazlarda AL2O3 seramiklerinin yerini alan ve geniş uygulama beklentilerine sahip olan AL2O3 seramiklerinden daha yüksek termal iletkenliğe sahiptir. ALN seramikleri, düşük ikincil elektron emisyon katsayısından dolayı güç vakum elektronik cihazlarının enerji dağıtım penceresi için tercih edilen malzeme olarak kabul edilir.

3. Silikon Nitrür (SI3N4)

SI3N4, üç kristal yapıya sahip kovalent olarak bağlı bir bileşiktir: a-Si3N4, β-Si3N4 ve γ-Si3N4. Bunlar arasında, a-Si3N4 ve β-Si3N4, altıgen yapıya sahip en yaygın kristal formlardır. Tek kristal Si3N4'ün termal iletkenliği 400W/(M · K) 'a ulaşabilir. Bununla birlikte, fonon ısı transferi nedeniyle, gerçek kafeste boşluk ve çıkık gibi kafes kusurları vardır ve safsızlıklar fonon saçılmasının artmasına neden olur, bu nedenle gerçek ateşlenen seramiklerin termal iletkenliği sadece 20W/(m · k) . Oran ve sinterleme işlemini optimize ederek, termal iletkenlik 106W/(m · k) 'a ulaşmıştır. Si3N4'ün termal genleşme katsayısı, Si, SIC ve GAAS malzemeleri ile iyi eşleşen yaklaşık 3.0 × 10-6/ c'dir, Si3N4 seramiklerini yüksek termal iletkenlik elektronik cihazları için çekici bir seramik substrat malzemesi haline getirir.

Şekil 3: Silikon nitrür tozu

Mevcut seramik substratlar arasında, SI3N4 seramik substratları, yüksek sertlik, yüksek mekanik mukavemet, yüksek sıcaklık direnci ve termal stabilite, düşük dielektrik sabiti ve dielektrik kayıp, aşınma direnci ve korozyon direnci gibi mükemmel özelliklere sahip en iyi seramik malzemeler olarak kabul edilir. Şu anda, IGBT modül ambalajında ​​tercih edilir ve yavaş yavaş AL2O3 ve ALN seramik substratlarının yerini alır.

4.Silicon Karbür (sic)

Tek kristal SIC, büyük bant boşluğu, yüksek arıza voltajı, yüksek termal iletkenlik ve yüksek elektron doygunluğu hızının avantajlarına sahip üçüncü nesil yarı iletken malzeme olarak bilinir.

Dirençini artırmak için SIC'ye az miktarda BEO ve B2O3 ekleyerek ve daha sonra 1900'ün üzerindeki sıcaklığa karşılık gelen sinterleme katkı maddelerini ekleyerek, sıcak presleme sinterleme kullanarak, SIC seramiklerinin% 98'inden fazlasını hazırlayabilirsiniz. Farklı sinterleme yöntemleri ve katkı maddeleri ile hazırlanan farklı saflıkta SIC seramiklerinin termal iletkenliği, oda sıcaklığında 100 ~ 490W/(M · K) 'dir. SIC seramiklerinin dielektrik sabiti çok büyük olduğundan, sadece düşük frekanslı uygulamalar için uygundur ve yüksek frekanslı uygulamalar için uygun değildir.

5. Berylia (Beo)

Beo wurtzit yapısıdır ve hücre kübik kristal sistemidir. Termal iletkenliği çok yüksektir, oda sıcaklığında% 99 Beo seramik BEO kütle fraksiyonu, termal iletkenliği (termal iletkenlik) aynı saflık AL2O3 seramiklerinin termal iletkenliğinin yaklaşık 10 katı olan 310W/(M · K) ulaşabilir. Sadece çok yüksek bir ısı transfer kapasitesine sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda düşük dielektrik sabiti ve dielektrik kaybına ve yüksek yalıtım ve mekanik özelliklere sahiptir, Beo seramikleri, yüksek güç cihazlarının ve yüksek termal iletkenlik gerektiren devrelerin uygulanmasında tercih edilen malzemedir.

Şekil 5: berillia kristal yapısı

BEO'nun yüksek termal iletkenlik ve düşük kayıp özellikleri diğer seramik malzemelerle eşsizdir, ancak BEO'nun çok belirgin eksiklikleri vardır ve tozu oldukça toksiktir.

Şu anda, Çin'de yaygın olarak kullanılan seramik substrat malzemeleri esas olarak AL2O3, ALN ve SI3N4'tür. LTCC teknolojisi tarafından yapılan seramik substrat, dirençler, kapasitörler ve indüktörler gibi pasif bileşenleri üç boyutlu yapıda entegre edebilir. Öncelikle aktif cihazlar olan yarı iletkenlerin entegrasyonunun aksine, LTCC yüksek yoğunluklu 3D ara bağlantı kablolama özelliklerine sahiptir.