Υλικά και χαρακτηριστικά κεραμικών υποστρωμάτων

Με την πρόοδο και την ανάπτυξη της τεχνολογίας, το λειτουργικό ρεύμα, η θερμοκρασία εργασίας και η συχνότητα στις συσκευές αυξάνονται σταδιακά. Προκειμένου να ικανοποιηθούν η αξιοπιστία των συσκευών και των κυκλωμάτων, έχουν υποβληθεί υψηλότερες απαιτήσεις για μεταφορείς τσιπ. Τα κεραμικά υποστρώματα χρησιμοποιούνται ευρέως σε αυτά τα πεδία λόγω των εξαιρετικών θερμικών ιδιοτήτων τους, των ιδιοτήτων μικροκυμάτων, των μηχανικών ιδιοτήτων και της υψηλής αξιοπιστίας.

Επί του παρόντος, τα κύρια κεραμικά υλικά που χρησιμοποιούνται σε κεραμικά υποστρώματα είναι: αλουμίνα (AL2O3), νιτρίδιο αλουμινίου (ALN), νιτρίδιο πυριτίου (SI3N4), καρβίδιο πυριτίου (siC) και οξείδιο βηρυλλίου (BEO).

Μαιευτικός _		Θερμική αγωγιμότητα	καθαρότητας	(W/km)	Σχετική ηλεκτρική σταθερή	ένταση πεδίου (kV/mm^(-1))	Σύντομη Comme nt S
al2O3	99%	29	9.7	10	Καλύτερη απόδοση κόστους, Πολύ ευρύτερες εφαρμογές
ALN	99%	150	8.9	15	υψηλότερη απόδοση, Αλλά υψηλότερο κόστος
BEO	99%	310	6.4	10	σκόνη με εξαιρετικά τοξικό, περιορίστε τη χρήση
SI3N4	99%	106	9.4	100	βέλτιστη συνολική απόδοση
SIC	99%	270	40	4.7	ΜΟΝΟ κατάλληλα για εφαρμογές χαμηλής συχνότητας

Ας δούμε τα σύντομα χαρακτηριστικά αυτών των 5 προηγμένων κεραμικών για τα υποστρώματα ως εξής:

1. Alumina (AL2O3)

Οι ομοιογενείς πολυκρυσταλλοι AL2O3 μπορούν να φτάσουν σε περισσότερα από 10 είδη και οι κύριοι τύποι κρυστάλλων είναι οι εξής: α-ΑΙ2Ο3, β-ΑΙ2Ο3, γ-ΑΙ2Ο3 και ΖΑΤ-ΑΙ2Ο3. Μεταξύ αυτών, το α-AL2O3 έχει τη χαμηλότερη δραστηριότητα και είναι η πιο σταθερή μεταξύ των τεσσάρων κύριων μορφών κρυστάλλων και το κυψέλη μονάδας του είναι ένα αιχμηρό rhombohedron, που ανήκει στο εξαγωνικό κρυστάλλινο σύστημα. Η δομή α-AL2O3 είναι σφιχτή, δομή Corundum, μπορεί να υπάρχει σταθερά σε όλες τις θερμοκρασίες. Όταν η θερμοκρασία φτάσει στους 1000 ~ 1600 ° C, άλλες παραλλαγές θα μετατραπούν μη αναστρέψιμα σε α-AL2O3.

Εικόνα 1: Κρυσταλλική μικροβίωση του AL2O3 κάτω από SEM

Με την αύξηση του κλάσματος μάζας AL2O3 και τη μείωση του αντίστοιχου κλάσματος μάζας γυαλιού, η θερμική αγωγιμότητα των κεραμικών AL2O3 αυξάνεται γρήγορα και όταν το κλάσμα μάζας AL2O3 φθάνει το 99%, η θερμική αγωγιμότητα του διπλασιάζεται σε σύγκριση με αυτό όταν το κλάσμα μάζας είναι 90%.

Αν και η αύξηση του κλάσματος μάζας του AL2O3 μπορεί να βελτιώσει τη συνολική απόδοση της κεραμικής, αυξάνει επίσης τη θερμοκρασία πυροσυσσωμάτωσης των κεραμικών, η οποία οδηγεί έμμεσα σε αύξηση του κόστους παραγωγής.

2. Νιτρίδιο αλουμινίου (ALN)

Το ALN είναι ένα είδος ομάδας ⅲ-V ένωσης με δομή wurtzite. Το κύτταρο μονάδας του είναι το ALN4 Tetrahedron, το οποίο ανήκει στο εξαγωνικό κρυστάλλινο σύστημα και έχει ισχυρό ομοιοπολικό δεσμό, έτσι έχει εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες και υψηλή αντοχή κάμψης. Θεωρητικά, η κρυστάλλινη πυκνότητα του είναι 3,2611g/cm3, έτσι έχει υψηλή θερμική αγωγιμότητα και ο καθαρός κρύσταλλος ALN έχει θερμική αγωγιμότητα 320W/(m · k) σε θερμοκρασία δωματίου και η θερμική αγωγιμότητα του καυτού πιεσμένου ALN Το υπόστρωμα μπορεί να φτάσει το 150W/(M · k), το οποίο είναι περισσότερο από 5 φορές αυτό του AL2O3. Ο συντελεστής θερμικής διαστολής είναι 3,8 × 10-6 ~ 4,4 × 10-6/℃, το οποίο ταιριάζει καλά με τον συντελεστή θερμικής επέκτασης των υλικών τσιπ ημιαγωγών όπως Si, SIC και GaAs.

Εικόνα 2: σκόνη νιτριδίου αλουμινίου

Τα κεραμικά ALN έχουν υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα από τα κεραμικά AL2O3, η οποία αντικαθιστά σταδιακά τα κεραμικά AL2O3 σε ηλεκτρονικά ισχύος υψηλής ισχύος και άλλες συσκευές που απαιτούν υψηλή αγωγιμότητα θερμότητας και έχουν ευρείες προοπτικές εφαρμογής. Τα κεραμικά ALN θεωρούνται επίσης ως το προτιμώμενο υλικό για το παράθυρο ενεργειακής παράδοσης των ηλεκτρονικών συσκευών κενού ισχύος λόγω του χαμηλού συντελεστή εκπομπής δευτερογενούς ηλεκτρονίων.

3. Νιτρίδιο πυριτίου (SI3N4)

Το SI3N4 είναι μια ομοιοπολικά συνδεδεμένη ένωση με τρεις κρυσταλλικές δομές: α-Si3N4, β-Si3N4 και γ-Si3N4. Μεταξύ αυτών, τα α-Si3N4 και β-Si3N4 είναι οι πιο συνηθισμένες μορφές κρυστάλλων, με εξαγωνική δομή. Η θερμική αγωγιμότητα του μονού κρυστάλλου SI3N4 μπορεί να φτάσει τα 400W/(M · K). Ωστόσο, λόγω της μεταφοράς θερμότητας Phonon, υπάρχουν ελαττώματα πλέγματος όπως η κενή θέση και η εξάρθρωση στο πραγματικό πλέγμα και οι ακαθαρσίες προκαλούν την αύξηση της διασποράς φωνών, έτσι ώστε η θερμική αγωγιμότητα των πραγματικών καυσαετών κεραμικών είναι μόνο περίπου 20W/(m · k) . Με τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας αναλογίας και πυροσυσσωμάτωσης, η θερμική αγωγιμότητα έχει φτάσει τα 106W/(M · K). Ο συντελεστής θερμικής διαστολής του SI3N4 είναι περίπου 3,0 × 10-6/ c, το οποίο ταιριάζει καλά με τα υλικά SI, SIC και GAAS, καθιστώντας τα κεραμικά SI3N4 ένα ελκυστικό κεραμικό υπόστρωμα υλικό για ηλεκτρονικές συσκευές θερμικής αγωγιμότητας.

Εικόνα 3: Σκόνη νιτριδίου πυριτίου

Μεταξύ των υφιστάμενων κεραμικών υποστρωμάτων, τα κεραμικά υποστρώματα SI3N4 θεωρούνται ότι είναι τα καλύτερα κεραμικά υλικά με εξαιρετικές ιδιότητες όπως υψηλή σκληρότητα, υψηλή μηχανική αντοχή, αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία και θερμική σταθερότητα, χαμηλή διηλεκτρική σταθερά και διηλεκτρική απώλεια, αντοχή στη φθορά και αντοχή στη διάβρωση. Επί του παρόντος, ευνοείται στη συσκευασία της μονάδας IGBT και σταδιακά αντικαθιστά τα κεραμικά υποστρώματα AL2O3 και ALN.

4. Silicon Carbide (sic)

Το Single Crystal SIC είναι γνωστό ως το υλικό ημιαγωγού τρίτης γενιάς, το οποίο έχει τα πλεονεκτήματα του χάσματος μεγάλου ζώνη, της υψηλής τάσης διάσπασης, της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας και της υψηλής ταχύτητας κορεσμού ηλεκτρονίων.

Προσθέτοντας μια μικρή ποσότητα BEO και B2O3 στο SIC για να αυξήσετε την αντίσταση του και στη συνέχεια να προσθέσετε τα αντίστοιχα πρόσθετα πυροσυσσωμάτωσης στη θερμοκρασία πάνω από το 1900 ℃ χρησιμοποιώντας καυτή συμπιεστική συσσώρευση, μπορείτε να προετοιμάσετε την πυκνότητα άνω του 98% των κεραμικών SIC. Η θερμική αγωγιμότητα των κεραμικών SIC με διαφορετική καθαρότητα που παρασκευάζεται με διαφορετικές μεθόδους πυροσυσσωμάτωσης και πρόσθετα είναι 100 ~ 490W/(m · k) σε θερμοκρασία δωματίου. Επειδή η διηλεκτρική σταθερά των κεραμικών SIC είναι πολύ μεγάλη, είναι κατάλληλη μόνο για εφαρμογές χαμηλής συχνότητας και δεν είναι κατάλληλη για εφαρμογές υψηλής συχνότητας.

5. Beryllia (BEO)

Το BEO είναι δομή Wurtzite και το κύτταρο είναι κυβικό κρυστάλλινο σύστημα. Η θερμική αγωγιμότητά του είναι πολύ υψηλή, κλάσμα μάζας BEO 99% κεραμικής, σε θερμοκρασία δωματίου, η θερμική αγωγιμότητα (θερμική αγωγιμότητα) μπορεί να φτάσει τα 310W/(M · k), περίπου 10 φορές τη θερμική αγωγιμότητα της ίδιας καθαρότητας Ceramics AL2O3. Όχι μόνο έχει πολύ υψηλή χωρητικότητα μεταφοράς θερμότητας, αλλά έχει επίσης χαμηλή διηλεκτρική σταθερά και διηλεκτρική απώλεια και υψηλή μόνωση και μηχανικές ιδιότητες, τα κεραμικά BEO είναι το προτιμώμενο υλικό στην εφαρμογή συσκευών υψηλής ισχύος και κυκλώματα που απαιτούν υψηλή θερμική αγωγιμότητα.

Εικόνα 5: κρυσταλλική δομή της Beryllia

Η υψηλή θερμική αγωγιμότητα και τα χαρακτηριστικά χαμηλής απώλειας του BEO είναι μέχρι στιγμής ασύγκριτα από άλλα κεραμικά υλικά, αλλά το BEO έχει πολύ προφανείς ελλείψεις και η σκόνη του είναι εξαιρετικά τοξική.

Επί του παρόντος, τα συνήθως χρησιμοποιούμενα κεραμικά υλικά υποστρώματος στην Κίνα είναι κυρίως AL2O3, ALN και SI3N4. Το κεραμικό υπόστρωμα που κατασκευάζεται από την τεχνολογία LTCC μπορεί να ενσωματώσει παθητικά συστατικά όπως αντιστάσεις, πυκνωτές και επαγωγείς στην τρισδιάστατη δομή. Σε αντίθεση με την ενσωμάτωση των ημιαγωγών, οι οποίοι είναι κυρίως ενεργές συσκευές, το LTCC διαθέτει δυνατότητες καλωδίωσης 3D διασύνδεσης υψηλής πυκνότητας.