Materialer og egenskaper til keramiske underlag

Med fremdriften og utviklingen av teknologi har driftsstrømmen, arbeidstemperaturen og frekvensen i enheter gradvis blitt høyere. For å oppfylle påliteligheten til enheter og kretsløp, er det fremmet høyere krav for brikkebærere. Keramiske underlag er mye brukt i disse feltene på grunn av deres utmerkede termiske egenskaper, mikrobølgeovnegenskaper, mekaniske egenskaper og høy pålitelighet.

For tiden er de viktigste keramiske materialene som brukes i keramiske underlag: aluminiumoksyd (AL2O3), aluminiumnitrid (ALN), silisiumnitrid (Si3N4), silisiumkarbid (SIC) og berylliumoksid (BEO).

Ma terial	Renhet	termisk ledningsevne )	_	_ _	_ _ _
_	_	_	_	_	_ Mye bredere applikasjoner
aln	99%	150	8,9	15	høyere ytelse, Men høyere kostnads
​​beo	99%	310	6,4	10	pulver med meget giftig, grense for å bruke
SI3N4	99%	106	9,4	100	Optimal Total Performance
SiC	99%	270	40	0,7	Bare passer for lavfrekvensapplikasjoner

La oss se de korte egenskapene til disse 5 avanserte keramikkene for underlag som følger:

1. Aluminiumoksyd (AL2O3)

Al2O3 homogene polykrystaller kan nå mer enn 10 typer, og de viktigste krystalltypene er som følger: α-Al2O3, ß-Al2O3, y-Al2O3 og ZTA-Al2O3. Blant dem har α-Al2O3 den laveste aktiviteten og er den mest stabile blant de fire viktigste krystallformene, og enhetscellen er en spiss rhombohedron, som tilhører det sekskantede krystallsystemet. α-Al2O3-strukturen er tett, korundstruktur, kan eksistere stabilt ved alle temperaturer; Når temperaturen når 1000 ~ 1600 ° C, vil andre varianter irreversibelt transformere til α-Al2O3.

Figur 1: Krystallmikrostrutur av AL2O3 under SEM

Med økningen av Al2O3 -massefraksjonen og reduksjonen av den tilsvarende glassfasemassefraksjonen, øker den termiske ledningsevnen til AL2O3 -keramikken raskt, og når Al2O3 -massefraksjonen når 99%, blir den termiske konduktiviteten doblet sammenlignet med den når massefraksjonen er 90%.

Selv om å øke massefraksjonen av AL2O3 kan forbedre den generelle ytelsen til keramikk, øker den også sintringstemperaturen til keramikk, noe som indirekte fører til en økning i produksjonskostnadene.

2. Aluminiumnitrid (ALN)

ALN er en slags gruppe ⅲ-V-forbindelse med wurtzite struktur. Enhetscellen er ALN4 Tetrahedron, som tilhører sekskantet krystallsystem og har sterk kovalent binding, så den har utmerkede mekaniske egenskaper og høy bøyestyrke. Teoretisk sett er krystalltettheten 3,2611g/cm3, så den har høy termisk ledningsevne, og den rene AlN-krystallen har en termisk ledningsevne på 320W/(m · k) ved romtemperatur, og den termiske konduktiviteten til den varme presset avfyrte Aln Substrat kan nå 150W/(m · k), som er mer enn 5 ganger for AL2O3. Den termiske ekspansjonskoeffisienten er 3,8 × 10-6 ~ 4,4 × 10-6/℃, som er godt matchet med den termiske ekspansjonskoeffisienten til halvleder-brikke materialer som SI, SIC og GAA.

Figur 2: Pulver av aluminiumnitrid

ALN-keramikk har høyere termisk ledningsevne enn AL2O3 keramikk, som gradvis erstatter AL2O3 keramikk i høykrafts kraftelektronikk og andre enheter som krever høy varmeledning, og har brede applikasjonsutsikter. ALN -keramikk blir også betraktet som det foretrukne materialet for energilyveringsvinduet med elektroniske enheter for strømvakuum på grunn av deres lave sekundære elektronutslippskoeffisient.

3. Silisiumnitrid (SI3N4)

Si3N4 er en kovalent bundet forbindelse med tre krystallstrukturer: α-Si3N4, β-Si3N4 og y-Si3N4. Blant dem er α-Si3N4 og β-Si3N4 de vanligste krystallformene, med sekskantet struktur. Den termiske konduktiviteten til enkeltkrystall Si3N4 kan nå 400W/(m · k). På grunn av dens fononvarmeoverføring er det imidlertid gitterfeil som ledig stilling og dislokasjon i selve gitteret, og urenheter fører til at fononspredning øker, så den termiske konduktiviteten til den faktiske avfyrte keramikken er bare omtrent 20W/(M · K) . Ved å optimalisere andelen og sintringsprosessen har den termiske konduktiviteten nådd 106W/(m · k). Den termiske ekspansjonskoeffisienten til Si3N4 er omtrent 3,0 × 10-6/ c, noe som er godt matchet med Si, SiC og GAAS-materialer, noe som gjør SI3N4-keramikk til et attraktivt keramisk substratmateriale for elektroniske enheter med høy termisk ledningsevne.

Figur 3: Pulver av silisiumnitrid

Blant de eksisterende keramiske underlagene anses Si3N4 keramiske underlag å være de beste keramiske materialene med utmerkede egenskaper som høy hardhet, høy mekanisk styrke, høy temperaturmotstand og termisk stabilitet, lav dielektrisk konstant og dielektrisk tap, slitasje motstand og korrosjonsmotstand. For tiden er det foretrukket i IGBT -modulemballasje og erstatter gradvis AL2O3 og ALN keramiske underlag.

4.Silicon Carbide (SIC)

Enkeltkrystallsic er kjent som tredje generasjons halvledermateriale, som har fordelene med stort båndgap, høy nedbrytningsspenning, høy termisk ledningsevne og høy elektronmetningshastighet.

Ved å tilsette en liten mengde BEO og B2O3 til SIC for å øke dens resistivitet, og deretter legge til de tilsvarende sintringsadditiver i temperaturen over 1900 ℃ ved hjelp av varmpressende sintring, kan du forberede tettheten til mer enn 98% av SiC keramikk. Den termiske konduktiviteten til SIC keramikk med forskjellig renhet fremstilt ved forskjellige sintringsmetoder og tilsetningsstoffer er 100 ~ 490W/(m · k) ved romtemperatur. Fordi den dielektriske konstanten av SIC keramikk er veldig stor, er den bare egnet for lavfrekvente applikasjoner, og er ikke egnet for høyfrekvente applikasjoner.

5. Beryllia (Beo)

BEO er wurtzite struktur og cellen er kubikkkrystallsystem. Den termiske konduktiviteten er veldig høy, BEO -massefraksjonen på 99% BEO -keramikk, ved romtemperatur, dens termiske ledningsevne (termisk ledningsevne) kan nå 310W/(M · K), omtrent 10 ganger den termiske ledningsevnen til den samme renheten Al2O3 keramikk. Ikke bare har en veldig høy varmeoverføringskapasitet, men har også lav dielektrisk konstant og dielektrisk tap og høy isolasjon og mekaniske egenskaper, BEO-keramikk er det foretrukne materialet i anvendelsen av høye strømutstyr og kretsløp som krever høy termisk ledningsevne.

Figur 5: Krystallstruktur av Beryllia

Den høye termiske konduktiviteten og lave tapsegenskapene til BEO er så langt uovertruffen av andre keramiske materialer, men Beo har veldig åpenbare mangler, og pulveret er svært giftig.

For tiden er de ofte brukte keramiske underlagsmaterialene i Kina hovedsakelig AL2O3, ALN og Si3N4. Det keramiske underlaget laget av LTCC-teknologi kan integrere passive komponenter som motstander, kondensatorer og induktorer i den tredimensjonale strukturen. I motsetning til integrering av halvledere, som først og fremst er aktive enheter, har LTCC høy tetthet 3D-sammenkoblingsledningsfunksjoner.