Матэрыялы і характарыстыкі керамічных субстратаў

З прагрэсам і развіццём тэхналогій, працоўны ток, працоўная тэмпература і частата ў прыладах паступова становяцца вышэйшымі. Для задавальнення надзейнасці прылад і схем для носьбітаў чыпаў былі пастаўлены больш высокія патрабаванні. Керамічныя субстраты шырока выкарыстоўваюцца ў гэтых галінах з -за выдатных цеплавых уласцівасцей, мікрахвалевых уласцівасцей, механічных уласцівасцей і высокай надзейнасці.

У цяперашні час асноўнымі керамічнымі матэрыяламі, якія выкарыстоўваюцца ў керамічных субстратах, з'яўляюцца: гліназёст (AL2O3), алюмініевы нітрыд (ALN), нітрыд крэмнію (SI3N4), карбід крэмнію (SIC) і аксід берылію (BEO).

Марыял _	Чысціня	цеплаправоднасць (W/km)	Адносная электрычная пастаянная	разбуральная інтэнсіўнасць поля (KV/MM^(-1))	Кароткае Comme nt s
al2o3	99%	29	9,7	10	найлепшая прадукцыйнасць кошту, Шмат больш шырокія прыкладанні
aln	99%	150	8,9	15	Вышэйшая прадукцыйнасць, Але больш высокі кошт
beo	99%	310	6,4	10	парашок з вельмі таксічным, абмежаванне, каб выкарыстоўваць
SI3N4	99%	106	9,4	100	Аптымальная агульная прадукцыйнасць
SIC	99%	270	40	0,7	падыходзіць толькі для прыкладанняў нізкай частоты

Давайце паглядзім кароткія характарыстыкі гэтых 5 прасунутых керамікі для субстратаў наступным чынам:

1. Ануміна (AL2O3)

Аднародныя полікрышталі AL2O3 могуць дасягаць больш за 10 відаў, а асноўныя тыпы крышталяў наступныя: α-Al2O3, β-Al2O3, γ-Al2O3 і ZTA-Al2O3. Сярод іх α-Al2O3 валодае самай нізкай актыўнасцю і з'яўляецца найбольш устойлівай сярод чатырох асноўных крыштальных формаў, а яе адзінкавая клетка-гэта завостраны ромбаэдрон, які належыць да шасціграннай крышталічнай сістэмы. Структура α-Al2O3 шчыльная, структура корудума можа існаваць стабільна пры любых тэмпературах; Калі тэмпература дасягае 1000 ~ 1600 ° С, іншыя варыянты незваротна пераўтвараюцца ў α-Al2O3.

Малюнак 1: Crystal Microstrutre of Al2O3 пад SEM

З павелічэннем масавай фракцыі Al2O3 і зніжэннем адпаведнай масы шкла, цеплаправоднасць керамікі AL2O3 хутка павышаецца, і калі масавая фракцыя AL2O3 дасягае 99% 90%.

Хоць павелічэнне масавай долі AL2O3 можа палепшыць агульную прадукцыйнасць керамікі, гэта таксама павышае тэмпературу спякання керамікі, што ўскосна прыводзіць да павелічэння выдаткаў на вытворчасць.

2. Алюмініевы нітрыд (ALN)

ALN-гэта своеасаблівая група ⅲ-V з структурай Wurtzite. Яго адзінкавая клетка - тэтраэдрон ALN4, які належыць да шасціграннай крышталічнай сістэмы і мае моцную кавалентную сувязь, таму ён мае выдатныя механічныя ўласцівасці і высокую трываласць выгібу. Тэарэтычна яго шчыльнасць крышталі складае 3,2611 г/см3, таму яна мае высокую цеплаправоднасць, а чысты крышталь ALN мае цеплаправоднасць 320 Вт/(м · к) пры пакаёвай тэмпературы і цеплаправоднасць стральбы з гарачай прэсаванай Альн Альн Субстрат можа дасягаць 150 Вт/(M · K), што ў 5 разоў больш, чым у AL2O3. Каэфіцыент цеплавога пашырэння складае 3,8 × 10-6 ~ 4,4 × 10-6/℃, што добра адпавядае каэфіцыенту цеплавога пашырэння матэрыялаў паўправадніковых чыпаў, такіх як Si, SIC і GAAS.

Малюнак 2: парашок алюмініевага нітрыду

Кераміка ALN мае больш высокую цеплаправоднасць, чым кераміка AL2O3, якая паступова замяняе кераміку AL2O3 у электраэнергіі з высокай магутнасцю і іншых прылад, якія патрабуюць высокага цяпла, і мае шырокія перспектывы прымянення. Кераміка ALN таксама лічыцца пераважным матэрыялам для акна дастаўкі энергіі вакуумных электронных прылад з -за іх нізкага другаснага каэфіцыента выкідаў электронных выкідаў.

3. Сіліконавая нітрыд (SI3N4)

SI3N4-гэта кавалентна звязанае злучэнне з трыма крыштальнымі структурамі: α-SI3N4, β-SI3N4 і γ-SI3N4. Сярод іх α-SI3N4 і β-SI3N4 з'яўляюцца найбольш распаўсюджанымі крыштальнымі формамі з шасціграннай структурай. Цеплаправоднасць монкі крышталя SI3N4 можа дасягаць 400 Вт/(М · К). Аднак з -за яго фанонавага цеплааддача існуюць дэфекты кратаў, такія як вакантнасць і вывіх у фактычнай рашоткі, а прымешкі выклікаюць павелічэнне рассейвання фанона, таму цеплаправоднасць фактычнай абпушчанай керамікі складае ўсяго каля 20 Вт/(м · к) . Аптымізаваўшы прапорцыю і працэс спекання, цеплаправоднасць дасягнула 106 Вт/(M · K). Каэфіцыент цеплавога пашырэння SI3N4 складае каля 3,0 × 10-6/ С, што добра адпавядае матэрыялам SI, SIC і GAAS, што робіць кераміку SI3N4 прывабным керамічным субстратам для электронных прылад для высокіх цеплаправоднасці.

Малюнак 3: парашок крэмнію нітрыду

Сярод існуючых керамічных субстратаў SI3N4 керамічныя субстраты лічацца лепшымі керамічнымі матэрыяламі з выдатнымі ўласцівасцямі, такімі як высокая цвёрдасць, высокая механічная трываласць, высокая тэмпературная ўстойлівасць і цеплавая ўстойлівасць, нізкая дыэлектрычная пастаянная страта і дыэлектрычная страта, знос і ўстойлівасць да карозіі. У цяперашні час ён спрыяе ўпакоўцы модуля IGBT і паступова замяняе керамічныя субстраты AL2O3 і ALN.

4. Карбід (sic) (sic)

Монка крышталь SIC вядомы як паўправадніковы матэрыял трэцяга пакалення, які мае перавагі вялікага зазору паласы, высокага напружання прабояў, высокай цеплаправоднасці і высокай хуткасці насычэння электронаў.

Дадаўшы ў SIC невялікую колькасць BEO і B2O3, каб павялічыць яго супраціў, а затым дадаць адпаведныя спекальныя дабаўкі пры тэмпературы вышэй 1900 ℃, выкарыстоўваючы гарачае націскаючы спяканне, вы можаце падрыхтаваць шчыльнасць больш за 98% керамікі SIC. Цеплаправоднасць керамікі SIC з рознай чысцінёй, падрыхтаванай рознымі метадамі і дабавак, складае 100 ~ 490 Вт/(м · К) пры пакаёвай тэмпературы. Паколькі дыэлектрычная канстанта керамікі SIC вельмі вялікая, яна падыходзіць толькі для нізкачашчынных прыкладанняў і не падыходзіць для высокачашчынных прыкладанняў.

5. Berillia (Beo)

Beo - гэта структура Wurtzite, а клетка - кубічная крыштальная сістэма. Яго цеплаправоднасць вельмі высокая, масавая доля Beo 99% Beo Ceramics, пры пакаёвай тэмпературы, цеплаправоднасці (цеплаправоднасць) можа дасягаць 310 Вт/(м · К), прыблізна ў 10 разоў перавышае цеплаправоднасць той жа чысціні AL2O3 керамікі. Не толькі вельмі высокая магутнасць перадачы цяпла, але і мае нізкую дыэлектрычную пастаянную і дыэлектрычную страту і высокую ізаляцыю і механічныя ўласцівасці, кераміка BEO з'яўляецца пераважным матэрыялам пры ўжыванні прылад і ланцугоў высокай магутнасці, якія патрабуюць высокай цеплаправоднасці.

Малюнак 5: Крыштальная структура берыліі

Высокая цеплаправоднасць і нізкія характарыстыкі страт BEO дагэтуль не маюць сабе роўных іншымі керамічнымі матэрыяламі, але Beo мае вельмі відавочныя недахопы, і яго парашок вельмі таксічны.

У цяперашні час звычайна выкарыстоўваюцца керамічныя субстратныя матэрыялы ў Кітаі ў асноўным Al2O3, ALN і SI3N4. Керамічны субстрат, зроблены тэхналогіяй LTCC, можа інтэграваць пасіўныя кампаненты, такія як рэзістары, кандэнсатары і індуктары, у трохмерную структуру. У адрозненне ад інтэграцыі паўправаднікоў, якія ў першую чаргу з'яўляюцца актыўнымі прыладамі, LTCC мае 3D-інтэрнату з высокай шчыльнасцю.