Materiales y características de sustratos de cerámica

Con el progreso y el desarrollo de la tecnología, la corriente operativa, la temperatura de trabajo y la frecuencia en los dispositivos han aumentado gradualmente. Para cumplir con la fiabilidad de los dispositivos y los circuitos, se han presentado requisitos más altos para los portadores de chips. Los sustratos cerámicos se usan ampliamente en estos campos debido a sus excelentes propiedades térmicas, propiedades de microondas, propiedades mecánicas y alta confiabilidad.

En la actualidad, los principales materiales cerámicos utilizados en sustratos de cerámica son: alúmina (Al2O3), nitruro de aluminio (ALN), nitruro de silicio (SI3N4), carburo de silicio (SIC) y óxido de berilio (BeO).

intensidad de campo disruptiva

Material _		Conductividad térmica	de la pureza	(W/km)	eléctrica relativa	( kV/mm^(-1))	Breve Commeg nt s
al2O3	99%	29	9.7	10	rendimiento de mejor costo, Aplicaciones mucho más amplias
ALN	99%	150	8.9	15	Mayor rendimiento, Pero mayor costo
beo	99%	310	6.4	10	polvo con altamente tóxico, límite para usar
SI3N4	99%	106	9.4	100	Rendimiento general óptimo
Sic	99%	270	40	0.7	Solo apto para aplicaciones de baja frecuencia

Veamos las breves características de estas 5 cerámicas avanzadas para sustratos de la siguiente manera:

1. Alúmina (AL2O3)

Los policristales homogéneos AL2O3 pueden alcanzar más de 10 tipos, y los tipos de cristal principales son los siguientes: α-Al2O3, β-Al2O3, γ-Al2O3 y ZTA-AL2O3. Entre ellos, α-Al2O3 tiene la actividad más baja y es la más estable entre las cuatro formas de cristal principales, y su celda unitaria es un romboedro puntiagudo, perteneciente al sistema de cristal hexagonal. La estructura α-Al2O3 es ajustada, la estructura de corundum, puede existir de manera estable a todas las temperaturas; Cuando la temperatura alcanza 1000 ~ 1600 ° C, otras variantes se transformarán irreversiblemente en α-Al2O3.

Figura 1: Microstruture de cristal de Al2O3 bajo SEM

Con el aumento de la fracción de masa Al2O3 y la disminución de la fracción de masa de fase de vidrio correspondiente, la conductividad térmica de la cerámica de Al2O3 aumenta rápidamente, y cuando la fracción de masa de Al2O3 alcanza el 99%, su conductividad térmica se duplica en comparación con eso cuando es la fracción de masa. 90%.

Aunque aumentar la fracción de masa de Al2O3 puede mejorar el rendimiento general de la cerámica, también aumenta la temperatura de sinterización de la cerámica, lo que indirectamente conduce a un aumento en los costos de producción.

2. Nitruro de aluminio (ALN)

ALN es un tipo de compuesto de grupo ⅲ-V con estructura de wurtzita. Su célula unitaria es el tetraedro Aln4, que pertenece al sistema de cristal hexagonal y tiene un enlace covalente fuerte, por lo que tiene excelentes propiedades mecánicas y alta resistencia a la flexión. Teóricamente, su densidad cristalina es 3.2611g/cm3, por lo que tiene una alta conductividad térmica, y el cristal de Aln puro tiene una conductividad térmica de 320W/(m · k) a temperatura ambiente, y la conductividad térmica del alo disparado prensado en caliente El sustrato puede alcanzar 150W/(m · k), que es más de 5 veces mayor que el de Al2O3. El coeficiente de expansión térmica es 3.8 × 10-6 ~ 4.4 × 10-6/℃, que se combina bien con el coeficiente de expansión térmica de los materiales de chips semiconductores como SI, SIC y GAA.

Figura 2: Polvo de nitruro de aluminio

La cerámica de ALN tiene una conductividad térmica más alta que la cerámica Al2O3, que reemplaza gradualmente a la cerámica Al2O3 en electrónica de alta potencia y otros dispositivos que requieren una alta conducción de calor, y tiene amplias perspectivas de aplicación. La cerámica de ALN también se considera el material preferido para la ventana de entrega de energía de dispositivos electrónicos de vacío de energía debido a su bajo coeficiente de emisión de electrones secundarios.

3. Nitruro de silicio (SI3N4)

SI3N4 es un compuesto unido covalentemente con tres estructuras cristalinas: α-Si3N4, β-Si3N4 y γ-Si3N4. Entre ellos, α-Si3N4 y β-Si3N4 son las formas cristalinas más comunes, con estructura hexagonal. La conductividad térmica del cristal único SI3N4 puede alcanzar 400W/(m · k). Sin embargo, debido a su transferencia de calor de fonón, hay defectos de celosía como la vacante y la dislocación en la red real, y las impurezas hacen que aumente la dispersión de fonones, por lo que la conductividad térmica de la cerámica disparada real es solo alrededor de 20W/(m · k) . Al optimizar el proceso de proporción y sinterización, la conductividad térmica ha alcanzado 106W/(m · k). El coeficiente de expansión térmica de SI3N4 es de aproximadamente 3.0 × 10-6/ c, que está bien coincidente con materiales SI, SIC y GAAs, lo que hace que la cerámica SI3N4 sea un atractivo material de sustrato cerámico para dispositivos electrónicos de alta conductividad térmica.

Figura 3: Polvo de nitruro de silicio

Entre los sustratos de cerámica existentes, los sustratos cerámicos SI3N4 se consideran los mejores materiales cerámicos con excelentes propiedades, como alta dureza, alta resistencia mecánica, alta resistencia a la temperatura y estabilidad térmica, baja pérdida dieléctrica constante y dieléctrica, resistencia al desgaste y resistencia a la corrosión. En la actualidad, se favorece en el empaque del módulo IGBT y reemplaza gradualmente los sustratos de cerámica AL2O3 y ALN.

4.Borburo de Silicon (sic)

El Sic de cristal único se conoce como el material semiconductor de tercera generación, que tiene las ventajas de la gran brecha de banda, el alto voltaje de descomposición, la alta conductividad térmica y la alta velocidad de saturación de electrones.

Al agregar una pequeña cantidad de BeO y B2O3 a SIC para aumentar su resistividad, y luego agregar los aditivos de sinterización correspondientes en la temperatura por encima de 1900 ℃ Usando la sinterización de presión caliente, puede preparar la densidad de más del 98% de las cerámicas SIC. La conductividad térmica de la cerámica SIC con diferente pureza preparada por diferentes métodos y aditivos de sinterización es de 100 ~ 490W/(M · K) a temperatura ambiente. Debido a que la constante dieléctrica de la cerámica SIC es muy grande, solo es adecuada para aplicaciones de baja frecuencia y no es adecuada para aplicaciones de alta frecuencia.

5. Beryllia (Beo)

El BeO es una estructura de wurtzita y la célula es un sistema de cristal cúbico. Su conductividad térmica es muy alta, la fracción de masa BeO de 99% de cerámica BeO, a temperatura ambiente, su conductividad térmica (conductividad térmica) puede alcanzar 310W/(M · K), aproximadamente 10 veces la conductividad térmica de la misma pureza Al2O3 cerámica. No solo tiene una capacidad de transferencia de calor muy alta, sino que también tiene una baja pérdida de constante y dieléctrica dieléctrica y propiedades mecánicas y aislados,, las cerámicas BeO son el material preferido en la aplicación de dispositivos y circuitos de alta potencia que requieren alta conductividad térmica.

Figura 5: Estructura cristalina de Beryllia

La alta conductividad térmica y las características de baja pérdida de BeO son hasta ahora inigualables por otros materiales cerámicos, pero BeO tiene deficiencias muy obvias, y su polvo es altamente tóxico.

En la actualidad, los materiales de sustrato de cerámica comúnmente utilizados en China son principalmente AL2O3, ALN y SI3N4. El sustrato de cerámica realizado por la tecnología LTCC puede integrar componentes pasivos como resistencias, condensadores e inductores en la estructura tridimensional. En contraste con la integración de semiconductores, que son principalmente dispositivos activos, LTCC tiene capacidades de cableado de interconexión 3D de alta densidad.