Materialet dhe karakteristikat e substrateve qeramike

Me përparimin dhe zhvillimin e teknologjisë, rryma operative, temperatura e punës dhe frekuenca në pajisje janë duke u rritur gradualisht. Për të përmbushur besueshmërinë e pajisjeve dhe qarqeve, kërkesa më të larta janë paraqitur për transportuesit e çipave. Substratet qeramike përdoren gjerësisht në këto fusha për shkak të vetive të shkëlqyera termike të tyre, vetive me mikrovalë, vetive mekanike dhe besueshmëri të lartë.

Aktualisht, materialet kryesore qeramike të përdorura në substratet qeramike janë: alumina (Al2O3), nitrid alumini (ALN), nitrid silikoni (SI3N4), karbid silikoni (SIC) dhe oksid beryllium (BEO).

Intensiteti

I zymtë	Pastërtia	Përçueshmëri termike (W/km)	relativ elektrik i vazhdueshëm	i fushës përçarës (kV/mm^(-1))	Comme e shkurtër nt s
al2o3	99%	29	9.7	10	Performanca më e mirë e kostos, Aplikime shumë më të gjera
aln	99%	150	8.9	15	Performanca më e lartë, Por kostoja më e lartë
beo	99%	310	6.4	10	Pluhuri me shumë toksike, kufiri për të përdorur
SI3N4	99%	106	9.4	100	Performanca Optimale e Përgjithshme
SIC	99%	270	40	0.7	Përshtatja vetëm për aplikime me frekuencë të ulët

Le të shohim karakteristikat e shkurtra të këtyre 5 qeramikës së përparuar për substratet si më poshtë:

1. Alumina (Al2O3)

Polikristalet homogjene Al2O3 mund të arrijnë më shumë se 10 lloje, dhe llojet kryesore të kristalit janë si më poshtë: α-AL2O3, β-AL2O3, γ-AL2O3 dhe ZTA-AL2O3. Midis tyre, α-Al2O3 ka aktivitetin më të ulët dhe është më i qëndrueshëm në mesin e katër formave kryesore kristal, dhe qeliza njësi e tij është një rhombohedron me theks, që i përket sistemit kristal gjashtëkëndor. Struktura α-Al2O3 është e ngushtë, struktura e korundit, mund të ekzistojë në mënyrë të qëndrueshme në të gjitha temperaturat; Kur temperatura të arrijë 1000 ~ 1600 ° C, variantet e tjera do të shndërrohen në mënyrë të pakthyeshme në α-Al2O3.

Figura 1: Mikrostrutura kristal e Al2O3 nën SEM

Me rritjen e fraksionit të masës Al2O3 dhe uljen e fraksionit të masës përkatëse të fazës së qelqit, përçueshmëria termike e qeramikës Al2O3 rritet me shpejtësi, dhe kur fraksioni i masës Al2O3 arrin 99%, përçueshmëria e tij termike dyfishohet në krahasim me atë kur është fraksioni masiv 90%.

Megjithëse rritja e fraksionit masiv të Al2O3 mund të përmirësojë performancën e përgjithshme të qeramikës, ajo gjithashtu rrit temperaturën e shkrirjes së qeramikës, e cila indirekt çon në një rritje të kostove të prodhimit.

2. Nitrid alumini (ALN)

ALN është një lloj përbërjeje grupi ⅲ-V me strukturën wurtzite. Qeliza e saj njësi është Aln4 tetrahedron, e cila i përket sistemit kristal gjashtëkëndor dhe ka lidhje të fortë kovalente, kështu që ka veti të shkëlqyera mekanike dhe forcë të lartë të lakimit. Teorikisht, dendësia e tij kristal është 3.2611g/cm3, kështu që ka përçueshmëri të lartë termike, dhe kristali i pastër ALN ka një përçueshmëri termike prej 320W/(M · K) në temperaturën e dhomës, dhe përçueshmëria termike e Aln-it të shtypur të nxehtë Substrati mund të arrijë në 150W/(M · K), që është më shumë se 5 herë më shumë se Al2O3. Koeficienti i zgjerimit termik është 3.8 × 10-6 ~ 4.4 × 10-6/℃, i cili përputhet mirë me koeficientin e zgjerimit termik të materialeve të çipit gjysmëpërçues si SI, SIC dhe GAAS.

Figura 2: Pluhuri i nitridit të aluminit

Qeramika ALN ka përçueshmëri më të lartë termike sesa qeramika Al2O3, e cila gradualisht zëvendëson qeramikën AL2O3 në elektronikën e energjisë me fuqi të lartë dhe pajisjet e tjera që kërkojnë përcjellje të lartë të nxehtësisë, dhe ka perspektivë të gjerë aplikimi. Qeramika ALN konsiderohet gjithashtu si materiali i preferuar për dritaren e shpërndarjes së energjisë të pajisjeve elektronike të vakumit të energjisë për shkak të koeficientit të tyre të ulët të emetimit të elektroneve sekondare.

3. Nitrid silikoni (SI3N4)

SI3N4 është një përbërje e lidhur kovalente me tre struktura kristal: α-Si3N4, β-Si3N4 dhe γ-Si3N4. Midis tyre, α-Si3N4 dhe β-Si3N4 janë format më të zakonshme kristal, me strukturë gjashtëkëndore. Përçueshmëria termike e kristalit të vetëm SI3N4 mund të arrijë në 400W/(M · K). Sidoqoftë, për shkak të transferimit të tij të nxehtësisë fonon, ka defekte të grilës siç janë vendet e lira dhe zhvendosja në grilën aktuale, dhe papastërtitë shkaktojnë që shpërndarja e fononit të rritet, kështu që përçueshmëria termike e qeramikës aktuale të shkrepur është vetëm rreth 20W/(M · K) . Duke optimizuar procesin e proporcionit dhe shkrirjes, përçueshmëria termike ka arritur në 106W/(M · K). Koeficienti i zgjerimit termik të SI3N4 është rreth 3.0 × 10-6/ c, i cili përputhet mirë me materiale SI, SIC dhe GAAS, duke e bërë qeramikën SI3N4 një material tërheqës të substratit qeramik për pajisje elektronike të përcjellshmërisë së lartë termike.

Figura 3: Pluhuri i nitridit të silikonit

Ndër substratet ekzistuese të qeramikës, substratet qeramike SI3N4 konsiderohen të jenë materialet më të mira qeramike me veti të shkëlqyera siç janë ngurtësia e lartë, forca e lartë mekanike, rezistenca e temperaturës së lartë dhe stabiliteti termik, humbja konstante dielektrike e ulët dhe dielektrike, rezistenca ndaj veshit dhe rezistenca ndaj korrozionit. Aktualisht, ajo favorizohet në paketimin e modulit IGBT dhe gradualisht zëvendëson substratet AL2O3 dhe ALN qeramike.

4.SILICON KARBIDE (SIC)

Single Crystal SIC njihet si materiali gjysmëpërçues i gjeneratës së tretë, i cili ka avantazhet e hendekut të bandës së madhe, tensionit të lartë të prishjes, përçueshmërisë së lartë termike dhe shpejtësisë së lartë të ngopjes së elektroneve.

Duke shtuar një sasi të vogël të BEO dhe B2O3 në SIC për të rritur rezistencën e tij, dhe më pas duke shtuar aditivët përkatës të shkrirjes në temperaturën mbi 1900 ℃ Duke përdorur shkrirjen e shtypjes së nxehtë, mund të përgatisni dendësinë e më shumë se 98% të qeramikës SIC. Përçueshmëria termike e qeramikës sic me pastërti të ndryshme të përgatitura nga metoda të ndryshme të shkrirjes dhe aditivëve është 100 ~ 490W/(M · K) në temperaturën e dhomës. Për shkak se konstanta dielektrike e qeramikës SIC është shumë e madhe, është e përshtatshme vetëm për aplikime me frekuencë të ulët, dhe nuk është i përshtatshëm për aplikime me frekuencë të lartë.

5. Beryllia (BEO)

BEO është strukturë wurtzite dhe qeliza është sistem kristal kub. Përçueshmëria e saj termike është shumë e lartë, fraksioni i masës BEO prej 99% qeramika BEO, në temperaturën e dhomës, përçueshmëria e saj termike (përçueshmëria termike) mund të arrijë në 310W/(M · K), rreth 10 herë përçueshmërinë termike të të njëjtit pastërti al2O3 qeramikë. Jo vetëm që ka një kapacitet shumë të lartë të transferimit të nxehtësisë, por gjithashtu ka humbje të ulët konstante dielektrike dhe dielektrike dhe izolim të lartë dhe veti mekanike, qeramika BEO janë materiali i preferuar në aplikimin e pajisjeve me fuqi të lartë dhe qarqeve që kërkojnë përçueshmëri të lartë termike.

Figura 5: Struktura kristal e beryllia

Përçueshmëria e lartë termike dhe karakteristikat e humbjes së ulët të BEO janë deri më tani të pakrahasueshme nga materiale të tjera qeramike, por BEO ka mangësi shumë të dukshme, dhe pluhuri i tij është shumë toksik.

Aktualisht, materialet e substratit qeramik të përdorur zakonisht në Kinë janë kryesisht AL2O3, ALN dhe SI3N4. Substrati qeramik i bërë nga teknologjia LTCC mund të integrojë përbërës pasivë siç janë rezistorët, kondensatorët dhe induktorët në strukturën tre-dimensionale. Në kontrast me integrimin e gjysmëpërçuesve, të cilët janë kryesisht pajisje aktive, LTCC ka aftësi instalime elektrike me densitet të lartë 3D.