Materiais e características de substratos cerâmicos

Com o progresso e o desenvolvimento da tecnologia, a corrente operacional, a temperatura de trabalho e a frequência dos dispositivos estão gradualmente aumentando. Para atender à confiabilidade de dispositivos e circuitos, requisitos mais altos foram apresentados para transportadores de chip. Os substratos de cerâmica são amplamente utilizados nesses campos devido às suas excelentes propriedades térmicas, propriedades de microondas, propriedades mecânicas e alta confiabilidade.

Atualmente, os principais materiais de cerâmica utilizados em substratos cerâmicos são: alumina (AL2O3), nitreto de alumínio (ALN), nitreto de silício (Si3N4), carboneto de silício (SIC) e óxido de berílio (BEO).

(kv/mm^(-1))

MA TERIAL		Condutividade térmica	de pureza	(W/km)	Intensidade do campo de	constante elétrica relativa	breve compartilhe s
al2o3	99%	29	9.7	10	Melhor desempenho de custo, desempenho Aplicações muito mais amplas
ALN	99%	150	8,9	15	desempenho superior, Mas maior custo
beo	99%	310	6,4	10	pó com altamente tóxico, limite para usar
Si3N4	99%	106	9,4	100	Desempenho geral ideal
SiC	99%	270	40	0,7	Ajuste apenas para aplicações de baixa frequência

Vamos ver as breves características dessas 5 cerâmicas avançadas para substratos da seguinte forma:

1. Alumina (Al2O3)

Os policristais homogêneos Al2O3 podem atingir mais de 10 tipos, e os principais tipos de cristal são os seguintes: α-AL2O3, β-AL2O3, γ-AL2O3 e ZTA-AL2O3. Entre eles, o α-AL2O3 tem a atividade mais baixa e é a mais estável entre as quatro formas de cristal principal, e sua célula unitária é um rhombohedron apontado, pertencente ao sistema de cristal hexagonal. A estrutura α-AL2O3 é apertada, a estrutura do corundão, pode existir de maneira estável em todas as temperaturas; Quando a temperatura atingir 1000 ~ 1600 ° C, outras variantes se transformam irreversivelmente em α-AL2O3.

Figura 1: Microtrutura de cristal de Al2O3 sob SEM

Com o aumento da fração de massa AL2O3 e a diminuição da fração de massa de fase de vidro correspondente, a condutividade térmica da cerâmica de Al2O3 aumenta rapidamente e, quando a fração de massa de Al2O3 atinge 99%, sua condutividade térmica é dobrada em comparação com a fração de massa é 90%.

Embora o aumento da fração de massa de Al2O3 possa melhorar o desempenho geral da cerâmica, ela também aumenta a temperatura de sinterização da cerâmica, o que indiretamente leva a um aumento nos custos de produção.

2. Nitreto de alumínio (ALN)

ALN é um tipo de composto de grupo ⅲ-V com a estrutura de wurtzita. Sua célula unitária é o tetraedro ALN4, que pertence ao sistema de cristal hexagonal e possui forte ligação covalente, por isso possui excelentes propriedades mecânicas e alta resistência à flexão. Teoricamente, sua densidade de cristal é de 3,2611g/cm3, por isso possui alta condutividade térmica e o cristal puro de ALN tem uma condutividade térmica de 320W/(M · k) à temperatura ambiente e a condutividade térmica do ALN disparado a quente pressionado a quente O substrato pode atingir 150w/(m · k), que é mais de 5 vezes o de Al2O3. O coeficiente de expansão térmica é de 3,8 × 10-6 ~ 4,4 × 10-6/℃, que é bem comparado ao coeficiente de expansão térmica de materiais de chip semicondutores, como Si, SiC e GAAs.

Figura 2: Pó de nitreto de alumínio

A Cerâmica ALN tem maior condutividade térmica do que a cerâmica AL2O3, que substitui gradualmente a cerâmica AL2O3 em eletrônicos de energia de alta potência e outros dispositivos que requerem alta condução de calor, e possui amplas perspectivas de aplicação. A ALN Ceramics também é considerada o material preferido para a janela de entrega de energia dos dispositivos eletrônicos de vácuo de energia devido ao baixo coeficiente de emissão de elétrons secundários.

3. Nitreto de silício (SI3N4)

O SI3N4 é um composto ligado covalentemente com três estruturas de cristal: α-SI3N4, β-SI3N4 e γ-SI3N4. Entre eles, α-Si3N4 e β-SI3N4 são as formas cristalinas mais comuns, com estrutura hexagonal. A condutividade térmica do Si3N4 de cristal único pode atingir 400W/(M · k). No entanto, devido à sua transferência de calor fonon, existem defeitos de treliça, como vaga e luxação na treliça real, e as impurezas fazem com que a dispersão do fônon aumente, de modo que a condutividade térmica da cerâmica de disparo real é apenas cerca de 20w/(M · k) . Ao otimizar o processo de proporção e sinterização, a condutividade térmica atingiu 106w/(M · k). O coeficiente de expansão térmica do SI3N4 é de cerca de 3,0 × 10-6/ c, que é bem combinado com os materiais Si, SiC e GAAs, tornando a cerâmica Si3N4 um atraente material de substrato cerâmico para dispositivos eletrônicos de alta condutividade térmica.

Figura 3: Pó de nitreto de silício

Entre os substratos cerâmicos existentes, os substratos cerâmicos de Si3N4 são considerados os melhores materiais de cerâmica com excelentes propriedades, como alta dureza, alta resistência mecânica, alta resistência à temperatura e estabilidade térmica, baixa constante dielétrica e perda dielétrica, resistência ao desgaste e corrosão. Atualmente, é favorecido na embalagem do módulo IGBT e substitui gradualmente os substratos de cerâmica AL2O3 e ALN.

4. Silicon Carbide (sic)

O único Crystal Sic é conhecido como o material semicondutor de terceira geração, que tem as vantagens de lacuna de banda grande, alta tensão de ruptura, alta condutividade térmica e alta velocidade de saturação de elétrons.

Ao adicionar uma pequena quantidade de BEO e B2O3 ao SiC para aumentar sua resistividade e, em seguida, adicionando os aditivos de sinterização correspondentes na temperatura acima de 1900 ℃ Usando sinterização a quente, você pode preparar a densidade de mais de 98% da cerâmica sic. A condutividade térmica da cerâmica do SiC com diferentes pureza preparada por diferentes métodos de sinterização e aditivos é de 100 ~ 490W/(M · k) à temperatura ambiente. Como a constante dielétrica da cerâmica do SiC é muito grande, ela é adequada apenas para aplicações de baixa frequência e não é adequada para aplicações de alta frequência.

5. Beryllia (BEO)

O BEO é a estrutura de wurtzita e a célula é o sistema de cristal cúbico. Sua condutividade térmica é muito alta, a fração de massa de BEO de 99% de cerâmica de BEO, à temperatura ambiente, sua condutividade térmica (condutividade térmica) pode atingir 310W/(M · k), cerca de 10 vezes a condutividade térmica da mesma pureza AL2O3 Ceramics. Não apenas possui uma capacidade de transferência de calor muito alta, mas também possui baixa perda de constante e dielétrica e propriedades de isolamento e alto isolamento e propriedades mecânicas, a cerâmica da BEO é o material preferido na aplicação de dispositivos e circuitos de alta potência que requerem alta condutividade térmica.

Figura 5: Estrutura cristalina de Beryllia

A alta condutividade térmica e as baixas características de perda da BEO são tão incomparáveis ​​por outros materiais cerâmicos, mas a BEO tem deficiências muito óbvias e seu pó é altamente tóxico.

Atualmente, os materiais de substrato de cerâmica comumente usados ​​na China são principalmente AL2O3, ALN e SI3N4. O substrato cerâmico fabricado pela tecnologia LTCC pode integrar componentes passivos, como resistores, capacitores e indutores na estrutura tridimensional. Em contraste com a integração de semicondutores, que são principalmente dispositivos ativos, o LTCC possui recursos de fiação de interconexão 3D de alta densidade.