Materialien und Eigenschaften von Keramiksubstraten

Mit dem Fortschritt und der Entwicklung der Technologie wurden der Betriebsstrom, die Arbeitstemperatur und die Häufigkeit in Geräten allmählich höher. Um die Zuverlässigkeit von Geräten und Schaltkreisen zu erfüllen, wurden höhere Anforderungen für Chipträger vorgeschlagen. Keramische Substrate werden in diesen Feldern aufgrund ihrer hervorragenden thermischen Eigenschaften, Mikrowelleneigenschaften, mechanischen Eigenschaften und hoher Zuverlässigkeit häufig verwendet.

Gegenwärtig sind die in Keramiksubstraten verwendeten Haupt -Keramikmaterialien: Aluminiumoxid (Al2O3), Aluminiumnitrid (ALN), Siliciumnitrid (Si3N4), Siliciumcarbid (sic) und Berylliumoxid (BEO).

Material _	Reinheit	Wärmeleitfähigkeit (W/km)	Relative elektrische konstante	Disruptionsfeldintensität (KV/	mm ^ (
-	1	)	)	Kurzes	Kommission	Viel breitere Anwendungen
aln	99%	150	8,9	15	höhere Leistung, Aber höhere Kosten
beo	99%	310	6,4	10	Pulver mit hochgiftigem, Grenzwert
für	die	Verwendung	von	SI3N4	99
%	106	9,4	100	Optimale	Gesamtleistung

Sehen wir uns die kurzen Merkmale dieser 5 fortgeschrittenen Keramik für Substrate wie folgt an:

1. Alumina (Al2o3)

Homogene Polykristalle al2o3 können mehr als 10 Arten erreichen, und die Hauptkristalltypen sind wie folgt: α-AL2O3, β-AL2O3, γ-AL2O3 und ZTA-AL2O3. Unter ihnen hat α-al2o3 die niedrigste Aktivität und ist unter den vier Hauptkristallformen am stabilsten, und seine Einheitszelle ist ein spitzer Rhomboedron, der zum hexagonalen Kristallsystem gehört. Die α-Al2O3-Struktur ist eng, kann bei allen Temperaturen stabil existieren; Wenn die Temperatur 1000 ~ 1600 ° C erreicht, verwandeln sich andere Varianten irreversibel in α-al2o3.

Abbildung 1: Kristallmikrostruation von Al2o3 unter SEM

Mit zunehmender Massenfraktion von Al2O3 und der Abnahme der entsprechenden Glasphasenmassefraktion steigt die thermische Leitfähigkeit der Al2O3 -Keramik schnell an, und wenn der Al2O3 -Massenanteil 99%erreicht, wird seine thermische Leitfähigkeit im Vergleich zu dem, wenn der Massenanteil ist, verdoppelt 90%.

Obwohl die Erhöhung des Massenanteils von AL2O3 die Gesamtleistung der Keramik verbessern kann, erhöht dies auch die Sintertemperatur der Keramik, die indirekt zu einer Erhöhung der Produktionskosten führt.

2. Aluminiumnitrid (ALN)

ALN ist eine Art Gruppe ⅲ-V-Verbindung mit Wurtzitstruktur. Seine Einheitszelle ist Aln4 Tetraeder, das zum sechseckigen Kristallsystem gehört und eine starke kovalente Bindung aufweist. Daher hat sie hervorragende mechanische Eigenschaften und hohe Biegefestigkeit. Theoretisch beträgt seine Kristalldichte 3,2611G/cm3, weshalb sie eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist und der reine Aln-Kristall eine thermische Leitfähigkeit von 320 W/(m · k) bei Raumtemperatur und die thermische Leitfähigkeit des heißgepressten Alns aufweist Das Substrat kann 150 W/(M · k) erreichen, was mehr als das Fünffache von Al2O3 ist. Der thermische Expansionskoeffizient beträgt 3,8 × 10-6 ~ 4,4 × 10-6/℃, was gut mit dem thermischen Expansionskoeffizienten von Halbleiterchipmaterialien wie SI, SIC und GaAs übereinstimmt.

Abbildung 2: Pulver aus Aluminiumnitrid

ALN-Keramik weisen eine höhere thermische Leitfähigkeit auf als die Al2O3-Keramik, die allmählich die Al2O3-Keramik in Hochleistungsstromelektronik und anderen Geräten ersetzt, die eine hohe Wärmeleitung erfordern, und umfassende Anwendungsaussichten aufweist. ALN -Keramik gelten auch als bevorzugtes Material für das Energieversorgungsfenster der elektronischen Geräte mit Stromversorgungsvakuum aufgrund ihres niedrigen sekundären Elektronenemissionskoeffizienten.

3. Siliziumnitrid (Si3N4)

SI3N4 ist eine kovalent gebundene Verbindung mit drei Kristallstrukturen: α-Si3N4, β-Si3N4 und γ-Si3N4. Unter ihnen sind α-Si3N4 und β-Si3N4 die häufigsten Kristallformen mit einer hexagonalen Struktur. Die thermische Leitfähigkeit von Einkristall Si3N4 kann 400 W/(M · k) erreichen. Aufgrund seiner Phonon -Wärmeübertragung gibt es jedoch Gitterdefekte wie Leerstand und Luxation im tatsächlichen Gitter, und Verunreinigungen führen dazu, dass die Phononstreuung zunimmt, so . Durch die Optimierung des Anteils und des Sinterprozesses hat die thermische Leitfähigkeit 106W/(M · k) erreicht. Der thermische Expansionskoeffizient von Si3N4 beträgt etwa 3,0 × 10-6/ c, was gut mit SI-, SiC- und Gaas-Materialien abgestimmt ist und SI3N4-Keramik zu einem attraktiven keramischen Substratmaterial für elektronische Geräte mit hoher thermischer Leitfähigkeit macht.

Abbildung 3: Siliziumnitridpulver

Unter den bestehenden Keramiksubstraten gelten SI3N4 -Keramik -Substrate als die besten Keramikmaterialien mit hervorragenden Eigenschaften wie hoher Härte, hoher mechanischer Festigkeit, hoher Temperaturwiderstand und thermischer Stabilität, niedriger Dielektrikumskonstante und Dielektrikumverlust, Verschleiß und Korrosionswiderstand. Gegenwärtig wird es in der IGBT -Modulverpackung bevorzugt und ersetzt allmählich Al2O3- und Aln -Keramik -Substrate.

4. Silicon Carbid (sic)

Einer Kristall -SIC ist als Halbleitermaterial der dritten Generation bekannt, das die Vorteile einer großen Bandlücke, einer hohen Breakdown -Spannung, einer hohen thermischen Leitfähigkeit und einer hohen Elektronensättigungsgeschwindigkeit aufweist.

Durch Hinzufügen einer kleinen Menge BEO und B2O3 zu SIC, um seinen Widerstand zu erhöhen und dann die entsprechenden Sinterzusatzstoffe in der Temperatur über 1900 ℃ mit einem heißen Presssintern hinzuzufügen, können Sie die Dichte von mehr als 98% der SIC -Keramik vorbereiten. Die thermische Leitfähigkeit der SIC -Keramik mit unterschiedlicher Reinheit, die durch verschiedene Sintermethoden und Additive hergestellt wird, beträgt 100 ~ 490 W/(M · k) bei Raumtemperatur. Da die Dielektrizitätskonstante der SIC-Keramik sehr groß ist, ist sie nur für niederfrequente Anwendungen geeignet und nicht für hochfrequente Anwendungen geeignet.

5. Beryllia (Beo)

Die Beo ist die Wurtzitstruktur und die Zelle ist kubisches Kristallsystem. Die thermische Leitfähigkeit ist sehr hoch, beo -Massenanteil von 99% BEO -Keramik, bei Raumtemperatur, seine thermische Leitfähigkeit (thermische Leitfähigkeit) kann 310 W/(M · k) erreichen, etwa das Zehnfache der thermischen Leitfähigkeit der gleichen Reinheit al2O3 -Keramik. BEO-Keramik ist nicht nur eine sehr hohe Wärmeübertragungskapazität, sondern auch eine niedrige Dielektrizitätskonstante und dielektrische Verluste sowie hohe Isolierungen und mechanische Eigenschaften, sondern ist das bevorzugte Material bei der Anwendung von Geräten und Schaltungen mit hoher Leistung und Schaltungen, die eine hohe thermische Leitfähigkeit erfordern.

Abbildung 5: Kristallstruktur von Beryllia

Die hohe thermische Leitfähigkeit und niedrige Merkmale von Beo sind von anderen Keramikmaterialien bisher unübertroffen, aber Beo hat sehr offensichtliche Mängel, und sein Pulver ist sehr giftig.

Gegenwärtig sind die häufig verwendeten keramischen Substratmaterialien in China hauptsächlich Al2O3, ALN und SI3N4. Das von der LTCC-Technologie hergestellte Keramik-Substrat kann passive Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren und Induktoren in die dreidimensionale Struktur integrieren. Im Gegensatz zur Integration von Halbleitern, bei denen es sich hauptsächlich um aktive Geräte handelt, verfügt LTCC über 3D-Verbindungsfunktionen mit hoher Dichte.