Материјали и карактеристики на керамички подлоги

Со напредокот и развојот на технологијата, оперативната струја, работната температура и фреквенцијата кај уредите постепено се зголемуваат. За да се исполни зависноста на уредите и кола, поставени се повисоки барања за носачи на чипови. Керамичките подлоги широко се користат во овие полиња заради нивните одлични термички својства, микробранови својства, механички својства и голема сигурност.

Во моментов, главните керамички материјали што се користат во керамичките подлоги се: алумина (Al2O3), алуминиум нитрид (АЛН), силикон нитрид (Si3n4), силикон карбид (Sic) и берилиум оксид (BEO).

Ма теријал		Топлинска спроводливост	на чистота	(W/km)	Релативен	интензитет на електрична константа на нарушувачко поле (kV/mm^(-1))	кратка Comme nt S
AL2O3	99%	29	9,7	10	Најдобри перформанси на трошоците, Многу пошироки апликации
aln	99%	150	8,9	15	повисоки перформанси, Но, повисока цена
бео	99%	310	6,4	10	Прашок со високо токсичен, ограничување за употреба
SI3N4	99%	106	9,4	100	Оптимални вкупни перформанси
SIC	99%	270	40	0,7	Само што се вклопуваат за апликации со ниска фреквенција

Ајде да ги видиме кратките карактеристики на овие 5 напредни керамика за подлоги на следниов начин:

1. Алумина (Al2O3)

Хомогените поликристали Al2O3 можат да достигнат повеќе од 10 видови, а главните типови на кристали се следниве: α-Al2O3, β-Al2O3, γ-Al2O3 и ZTA-AL2O3. Меѓу нив, α-Al2O3 има најниска активност и е најстабилна меѓу четирите главни кристални форми, а неговата единечна ќелија е зашилен ромбоедрон, кој припаѓа на хексагоналниот кристален систем. Структурата α-Al2O3 е тесна, структурата на корунд, може да постои стабилно на сите температури; Кога температурата ќе достигне 1000 ~ 1600 ° C, другите варијанти неповратно ќе се претворат во α-Al2O3.

Слика 1: Кристална микроструктура на Al2O3 под СЕМ

Со зголемувањето на фракцијата на масата Al2O3 и намалувањето на соодветната фракција на масовна стаклена фаза, термичката спроводливост на керамиката Al2O3 брзо се зголемува, а кога масовната фракција Al2O3 достигне 99%, неговата термичка спроводливост е двојно зголемена во споредба со онаа кога кога масовната фракција е масовна фракција 90%.

Иако зголемувањето на масовната фракција на AL2O3 може да ги подобри целокупните перформанси на керамиката, таа исто така ја зголемува температурата на топење на керамиката, што индиректно доведува до зголемување на трошоците за производство.

2. Алуминиум нитрид (АЛН)

АЛН е еден вид групно ⅲ-V соединение со структура на вутцит. Неговата единечна ќелија е Aln4 тетраедрон, која припаѓа на хексагонален кристален систем и има силна ковалентна врска, така што има одлични механички својства и голема јачина на свиткување. Теоретски, неговата густина на кристалот е 3.2611g/cm3, така што има висока топлинска спроводливост, а чистиот кристал на АЛН има термичка спроводливост од 320W/(m · K) на собна температура и термичка спроводливост на отпуштениот алн со топло вметната Aln Подлогата може да достигне 150W/(m · k), што е повеќе од 5 пати поголема од Al2O3. Коефициентот на термичка експанзија е 3,8 × 10-6 ~ 4,4 × 10-6/℃, што е добро совпаѓано со коефициентот на термичка експанзија на материјалите за чипс на полупроводници како што се Si, Sic и GaaS.

Слика 2: Прашок од алуминиум нитрид

Керамиката на АЛН има поголема термичка спроводливост од керамиката Al2O3, која постепено ја заменува керамиката Al2O3 во електроника со голема моќност и други уреди за кои е потребна голема спроводливост на топлина и има широки перспективи на примена. Керамиката на АЛН исто така се смета како најпосакуван материјал за прозорецот за испорака на енергија на електронски уреди за напојување, како резултат на нивниот низок секундарен коефициент на емисија на електрони.

3. Силикон нитрид (SI3N4)

SI3N4 е ковалентно врзано соединение со три кристални структури: α-SI3N4, β-SI3N4 и γ-SI3N4. Меѓу нив, α-Si3N4 и β-SI3N4 се најчестите кристални форми, со шестоаголна структура. Топлинската спроводливост на единечен кристал SI3N4 може да достигне 400W/(m · k). Како и да е, поради неговиот трансфер на топлина на фонон, постојат решетки за дефекти, како што се слободно работно место и дислокација во реалните решетки, а нечистотиите предизвикуваат да се зголеми расејувањето на фононот, така што термичката спроводливост на вистинската отпуштена керамика е само околу 20W/(m · k) . Со оптимизирање на процесот на пропорција и топење, термичката спроводливост достигна 106W/(m · k). Коефициентот на термичка експанзија на SI3N4 е околу 3,0 × 10-6/ c, што е добро исти со материјали Si, Sic и GaAs, со што керамиката Si3n4 е атрактивен материјал за керамички подлога за електронски уреди со висока термичка спроводливост.

Слика 3: Прашок од силикон нитрид

Меѓу постојните керамички подлоги, керамичките подлоги SI3N4 се сметаат за најдобри керамички материјали со одлични својства како што се висока цврстина, висока механичка јачина, отпорност на висока температура и термичка стабилност, ниска константа на диелектрична и диелектрична загуба, отпорност на абење и отпорност на корозија. Во моментов, таа е фаворизирана во пакувањето на модулот IGBT и постепено ги заменува керамичките подлоги AL2O3 и ALN.

4. Силикон карбид (sic)

Единствениот кристал SIC е познат како полупроводнички материјал од трета генерација, кој има предности на големиот опсег на опсегот, висок напон на дефект, висока термичка спроводливост и голема брзина на заситеност на електроните.

Со додавање на мала количина на BeO и B2O3 на SIC за да ја зголемите неговата отпорност, а потоа додавајќи ги соодветните адитиви за топење на температурата над 1900 ℃ Користејќи топло притискање на топло, можете да ја подготвите густината на повеќе од 98% од керамиката на SIC. Топлинската спроводливост на керамиката Sic со различна чистота подготвена со различни методи и адитиви на тон е 100 ~ 490W/(m · K) на собна температура. Бидејќи диелектричната константа на керамиката Sic е многу голема, таа е погодна само за апликации со ниска фреквенција и не е погодна за апликации со висока фреквенција.

5. Бериелија (БЕО)

Бео е структура на wurtzite и ќелијата е кубен кристален систем. Неговата термичка спроводливост е многу висока, фракцијата на масата на БЕО од 99% BEO керамика, на собна температура, нејзината термичка спроводливост (термичка спроводливост) може да достигне 310W/(M · K), околу 10 пати повеќе од термичката спроводливост на истата чистота Al2O3 керамика. Не само што има многу висок капацитет за пренос на топлина, туку има и ниска диелектрична константа и диелектрична загуба и висока изолација и механички својства, BEO керамиката е најпосакуван материјал во примената на уреди со голема моќност и кола за кои е потребна висока топлинска спроводливост.

Слика 5: Кристална структура на Бериелија

Високата термичка спроводливост и карактеристиките на ниска загуба на БЕО се досега неспоредливи со другите керамички материјали, но БЕО има многу очигледни недостатоци, а неговиот прав е многу токсичен.

Во моментов, најчесто користените материјали за керамичка подлога во Кина се главно Al2O3, ALN и SI3N4. Керамичката подлога направена од LTCC технологијата може да интегрира пасивни компоненти како што се отпорници, кондензатори и индуктори во тродимензионалната структура. За разлика од интеграцијата на полупроводници, кои првенствено се активни уреди, LTCC има можности за интерконекција со висока густина 3D.