Materiaalit ja keraamisten substraattien ominaisuudet

Teknologian edistymisen ja kehityksen myötä laitteiden toimintavirta, työlämpötila ja taajuus ovat vähitellen nousseet. Laitteiden ja piirien luotettavuuden täyttämiseksi sirujen kantajille on esitetty suurempia vaatimuksia. Keraamisia substraatteja käytetään laajasti näillä kentillä niiden erinomaisten lämpöominaisuuksien, mikroaalto -ominaisuuksien, mekaanisten ominaisuuksien ja suuren luotettavuuden vuoksi.

Tällä hetkellä keraamisissa substraateissa käytetyt tärkeimmät keraamiset materiaalit ovat: alumiinioksidi (AL2O3), alumiininitridi (ALN), piinitridi (SI3N4), piikarbidi (sic) ja berylliumoksidi (BEO).

Teraali- _	Puhtaus	lämmönjohtavuus (W/km)	Suhteellinen sähkövakio	häiritsevä kentän voimakkuus (KV/mm^(-1))	Lyhyt Comme nt S
AL2O3	99%	29	9,7	10	Paras kustannussuorituskyky, Paljon leveämpi sovellukset
ALN	99%	150	8,9	15	korkeampi suorituskyky, Mutta korkeammat kustannukset
beo	99%	310	6,4	10	jauhetta erittäin myrkyllisellä,
si3N4	99%	106	9,4	100 100	optimaalinen suorituskyky
SIC	99%	270	40	0,7	vain matalataajuisiin sovelluksiin

Katsotaanpa näiden viiden edistyneen substraattien edistyneen keramiikan lyhyet ominaisuudet seuraavasti:

1. Alumiinioksidi (AL2O3)

AL2O3-homogeeniset monikiteitä voivat saavuttaa yli 10 tyyppiä, ja pääkidetyypit ovat seuraavat: α-AL2O3, β-Al2O3, γ-Al2O3 ja Zta-AL2O3. Niiden joukossa α-Al2O3: lla on alhaisin aktiivisuus ja se on stabiilin neljän pääkidemuodon joukossa, ja sen yksikkösolu on terävä rhomboedroni, joka kuuluu kuusikulmaiseen kidejärjestelmään. α-AL2O3-rakenne on tiukka, korundumin rakenne voi olla stabiilisti kaikissa lämpötiloissa; Kun lämpötila saavuttaa 1000 ~ 1600 ° C, muut variantit muuttuvat peruuttamattomasti α-AL2O3: ksi.

Kuvio 1: AL2O3: n kidekielimikrostruture SEM: n alla

AL2O3 -massajakeen lisääntyessä ja vastaavan lasifaasimassafraktion vähentymisen myötä AL2O3 -keramiikan lämmönjohtavuus nousee nopeasti ja kun AL2O3 90%.

Vaikka AL2O3: n massaosuuden lisääminen voi parantaa keramiikan yleistä suorituskykyä, se lisää myös keramiikan sintrauslämpötilaa, mikä johtaa epäsuorasti tuotantokustannusten nousuun.

2. Alumiininitridi (ALN)

ALN on eräänlainen ryhmä ⅲ-V-yhdiste, jolla on wurttiittirakenne. Sen yksikkökenno on ALN4 -tetraedroni, joka kuuluu kuusikulmainen kidejärjestelmään ja jolla on vahva kovalenttinen sidos, joten sillä on erinomaiset mekaaniset ominaisuudet ja korkea taivutuslujuus. Teoreettisesti sen kristallitiheys on 3,2611g/cm3, joten sen lämmönjohtavuus on korkea, ja puhtaan ALN-kideen lämmönjohtavuus on 320w/(m · k) huoneenlämpötilassa ja kuuman painettujen palotun ALN: n lämmönjohtavuus Substraatti voi saavuttaa 150W/(M · K), joka on yli 5 -kertainen AL2O3: n. Lämpölaajennuskerroin on 3,8 × 10-6 ~ 4,4 × 10-6/℃, joka on hyvin sovitettu puolijohde-sirumateriaalien, kuten Si: n, sic: n ja GaA: n, lämpölaajennuskertoimen kanssa.

Kuva 2: Alumiininitridin jauhe

ALN-keramiikalla on korkeampi lämmönjohtavuus kuin AL2O3-keramiikka, joka korvaa vähitellen AL2O3-keramiikan suuritehoisilla sähköelektroniikoilla ja muilla lämmönjohtavuudella vaativilla laitteilla, ja sillä on laajat sovellusmahdollisuudet. ALN -keramiikkaa pidetään myös edullisena materiaalina energian tyhjiöelektronisten laitteiden energianjakeluikkunassa niiden alhaisen sekundaarisen elektronipäästökertoimen vuoksi.

3. Pii -nitridi (SI3N4)

SI3N4 on kovalenttisesti sidottu yhdiste, jolla on kolme kiderakennetta: a-Si3N4, β-Si3N4 ja y-Si3N4. Niistä α-Si3N4 ja β-Si3N4 ovat yleisimmät kidemuodot, joilla on kuusikulmainen rakenne. Yhden kide Si3N4: n lämmönjohtavuus voi saavuttaa 400W/(M · K). Fononin lämmönsiirron vuoksi todellisessa hilassa on kuitenkin hilavaurioita, kuten avoimia työpaikkoja ja dislokaatiota, ja epäpuhtaudet aiheuttavat fononin sironnan lisääntymisen, joten todellisen ampuneen keramiikan lämmönjohtavuus on vain noin 20W/(M · K) . Optimoimalla osuus- ja sintrausprosessi lämmönjohtavuus on saavuttanut 106W/(M · K). SI3N4: n lämpölaajennuskerroin on noin 3,0 × 10-6/ c, joka on hyvin sovitettu Si-, sic- ja GaAs-materiaaleihin, mikä tekee SI3N4-keramiikasta houkuttelevan keraamisen substraattimateriaalin korkean lämmönjohtavuuden elektronisiin laitteisiin.

Kuva 3: Pii -nitridin jauhe

Nykyisten keraamisten substraattien joukossa SI3N4 -keraamisia substraatteja pidetään parhaina keraamisina materiaaleina, joilla on erinomaiset ominaisuudet, kuten korkea kovuus, korkea mekaaninen lujuus, korkea lämpötilankestävyys ja lämpöstabiilisuus, matala dielektrinen vakio ja dielektrinen menetys, kulutuskestävyys ja korroosionkestävyys. Tällä hetkellä sitä suositaan IGBT -moduulin pakkauksessa ja korvaa vähitellen AL2O3- ja ALN -keraamiset substraatit.

4.Silicon -karbidi (sic)

Yhden kristallin sic tunnetaan kolmannen sukupolven puolijohdemateriaalina, jolla on suuret kaistavälin, korkean hajoamisjännite, korkea lämmönjohtavuus ja korkea elektronien kylläisyyden nopeus.

Lisäämällä pienen määrän BEO: ta ja B2O3: ta SIC: hen sen resistiivisyyden lisäämiseksi ja vastaavat sintrausaineen lisäämisen yläpuolelle yli 1900 ℃ käyttämällä kuumaa puristamiselta, voit valmistaa yli 98% sic -keramiikan tiheyden. SIC -keramiikan lämmönjohtavuus erilaisella puhtaudella, joka on valmistettu erilaisilla sintrausmenetelmillä ja lisäaineilla, on 100 ~ 490W/(M · K) huoneenlämpötilassa. Koska sic-keramiikan dielektrinen vakio on erittäin suuri, se sopii vain matalataajuisiin sovelluksiin eikä sovellu korkeataajuisiin sovelluksiin.

5. Beryllia (beo)

BEO on wurtzite -rakenne ja solu on kuutio kidesysteemi. Sen lämmönjohtavuus on erittäin korkea, 99 -prosenttinen BEO -keramiikka BEO -massafraktio, huoneenlämpötilassa sen lämmönjohtavuus (lämmönjohtavuus) voi saavuttaa 310W/(M · K), noin 10 -kertainen saman puhtauden AL2O3 -keramiikan lämmönjohtavuus. Ei vain erittäin korkea lämmönsiirtokapasiteetti, mutta sillä on myös alhainen dielektrisyysvakio ja dielektrinen häviö ja suuri eristys ja mekaaniset ominaisuudet, BEO-keramiikka ovat edullista materiaalia suuritehoisten laitteiden ja piirejen levittämisessä, jotka vaativat suurta lämmönjohtavuutta.

Kuvio 5: Beryllian kiderakenne

BEO: n korkea lämmönjohtavuus ja alhaiset häviöominaisuudet ovat toistaiseksi vertaansa vailla muiden keraamisten materiaalien avulla, mutta BEO: lla on erittäin ilmeisiä puutteita, ja sen jauhe on erittäin myrkyllinen.

Tällä hetkellä Kiinan yleisesti käytetyt keraamiset substraattimateriaalit ovat pääosin Al2O3, ALN ja SI3N4. LTCC-tekniikan tekemä keraaminen substraatti voi integroida passiiviset komponentit, kuten vastukset, kondensaattorit ja induktorit kolmiulotteiseen rakenteeseen. Päinvastoin kuin puolijohteiden integrointi, jotka ovat pääasiassa aktiivisia laitteita, LTCC: llä on korkean tiheyden 3D-toisiinsa johdotusominaisuudet.