Bahan dan Karakteristik Substrat Keramik

Dengan kemajuan dan pengembangan teknologi, arus operasi, suhu kerja dan frekuensi dalam perangkat secara bertahap semakin tinggi. Untuk memenuhi ketergantungan perangkat dan sirkuit, persyaratan yang lebih tinggi telah diajukan untuk operator chip. Substrat keramik banyak digunakan di bidang ini karena sifat termal yang sangat baik, sifat gelombang mikro, sifat mekanik dan keandalan tinggi.

Saat ini, bahan keramik utama yang digunakan dalam substrat keramik adalah: alumina (Al2O3), aluminium nitrida (ALN), silikon nitrida (Si3N4), silikon karbida (SiC) dan beryllium oksida (BeO).

(kv/mm^(-1)

Bahan _		Konduktivitas termal	kemurnian	(W/km)	Intensitas medan gangguan	konstan listrik relatif	) Comme Singkat
AL2O3	99%	29	9.7	10	Kinerja Biaya Terbaik, Aplikasi yang jauh lebih luas
juga	99%	150	8.9	15	kinerja lebih tinggi, tapi biaya lebih
tinggi	99%	310	6.4	10	bubuk dengan sangat beracun, batas untuk menggunakan
Si3N4	99%	106	9.4	100	Kinerja keseluruhan optimal
SIC	99%	270	40	0,7	Hanya cocok untuk aplikasi frekuensi rendah

Mari kita lihat karakteristik singkat dari 5 keramik canggih ini untuk substrat sebagai berikut:

1. Alumina (AL2O3)

Polycrystal homogen al2O3 dapat mencapai lebih dari 10 jenis, dan jenis kristal utama adalah sebagai berikut: α-al2O3, β-al2O3, γ-AL2O3 dan ZTA-AL2O3. Di antara mereka, α-AL2O3 memiliki aktivitas terendah dan merupakan yang paling stabil di antara empat bentuk kristal utama, dan sel unitnya adalah rhombohedron runcing, milik sistem kristal heksagonal. Struktur α-Al2O3 ketat, struktur corundum, dapat ada secara stabil di semua suhu; Ketika suhu mencapai 1000 ~ 1600 ° C, varian lain akan berubah secara ireversibel menjadi α-al2O3.

Gambar 1: Mikrostrutur kristal Al2O3 di bawah SEM

Dengan peningkatan fraksi massa AL2O3 dan penurunan fraksi massa fase kaca yang sesuai, konduktivitas termal keramik AL2O3 naik dengan cepat, dan ketika fraksi massa AL2O3 mencapai 99%, konduktivitas termal berlipat ganda dibandingkan dengan ketika fraksi massa adalah 99% 90%.

Meskipun meningkatkan fraksi massa AL2O3 dapat meningkatkan kinerja keseluruhan keramik, itu juga meningkatkan suhu sintering keramik, yang secara tidak langsung mengarah pada peningkatan biaya produksi.

2. Aluminium nitrida (ALN)

ALN adalah sejenis senyawa ⅲ-V dengan struktur wurtzite. Sel unitnya adalah ALN4 Tetrahedron, yang termasuk dalam sistem kristal heksagonal dan memiliki ikatan kovalen yang kuat, sehingga memiliki sifat mekanik yang sangat baik dan kekuatan lentur tinggi. Secara teoritis, kepadatan kristalnya adalah 3,2611g/cm3, sehingga memiliki konduktivitas termal yang tinggi, dan kristal ALN murni memiliki konduktivitas termal 320W/(M · K) pada suhu kamar, dan konduktivitas termal dari ALN yang dipecat panas yang dipecat panas yang dipecat panas ditekan dengan hot-pres yang dipecat panas yang ditekan panas yang ditekan dengan hot-pres-pres yang ditekan dengan hot-pres-pres yang ditekan dengan hot-pres-presces Substrat dapat mencapai 150W/(M · K), yang lebih dari 5 kali lipat dari Al2O3. Koefisien ekspansi termal adalah 3,8 × 10-6 ~ 4,4 × 10-6/℃, yang sangat cocok dengan koefisien ekspansi termal bahan chip semikonduktor seperti Si, SiC dan GaAs.

Gambar 2: Serbuk aluminium nitrida

Keramik ALN memiliki konduktivitas termal yang lebih tinggi daripada keramik AL2O3, yang secara bertahap menggantikan keramik AL2O3 dalam elektronik daya daya tinggi dan perangkat lain yang membutuhkan konduksi panas tinggi, dan memiliki prospek aplikasi yang luas. Keramik ALN juga dianggap sebagai bahan yang disukai untuk jendela pengiriman energi perangkat elektronik vakum daya karena koefisien emisi elektron sekunder rendah.

3. Silikon nitrida (SI3N4)

Si3N4 adalah senyawa terikat kovalen dengan tiga struktur kristal: α-si3n4, β-si3n4, dan γ-si3n4. Di antara mereka, α-Si3N4 dan β-SI3N4 adalah bentuk kristal yang paling umum, dengan struktur heksagonal. Konduktivitas termal kristal tunggal SI3N4 dapat mencapai 400W/(m · k). Namun, karena perpindahan panas fononnya, ada cacat kisi seperti lowongan dan dislokasi di kisi yang sebenarnya, dan pengotor menyebabkan hamburan fonon meningkat, sehingga konduktivitas termal dari keramik yang ditembakkan hanya sekitar 20W/(M · K) . Dengan mengoptimalkan proses proporsi dan sintering, konduktivitas termal telah mencapai 106W/(m · k). Koefisien ekspansi termal SI3N4 adalah sekitar 3,0 × 10-6/ C, yang sangat cocok dengan bahan Si, SiC dan GaAs, menjadikan SI3N4 keramik bahan substrat keramik yang menarik untuk perangkat elektronik konduktivitas termal tinggi.

Gambar 3: Bubuk silikon nitrida

Di antara substrat keramik yang ada, substrat keramik Si3N4 dianggap sebagai bahan keramik terbaik dengan sifat yang sangat baik seperti kekerasan tinggi, kekuatan mekanik tinggi, ketahanan suhu tinggi dan stabilitas termal, konstanta dielektrik rendah dan kehilangan dielektrik, resistansi keausan dan resistansi korosi. Saat ini, ia disukai dalam kemasan modul IGBT dan secara bertahap menggantikan substrat keramik AL2O3 dan ALN.

4.Silicon carbide (sic)

Single Crystal SIC dikenal sebagai bahan semikonduktor generasi ketiga, yang memiliki keunggulan celah pita besar, tegangan kerusakan tinggi, konduktivitas termal tinggi dan kecepatan saturasi elektron tinggi.

Dengan menambahkan sejumlah kecil BeO dan B2O3 ke SIC untuk meningkatkan resistivitasnya, dan kemudian menambahkan aditif sintering yang sesuai dalam suhu di atas 1900 ℃ menggunakan sintering penekanan panas, Anda dapat menyiapkan kepadatan lebih dari 98% keramik SIC. Konduktivitas termal keramik SiC dengan kemurnian berbeda yang disiapkan dengan metode sintering dan aditif yang berbeda adalah 100 ~ 490W/(M · K) pada suhu kamar. Karena konstanta dielektrik keramik SiC sangat besar, hanya cocok untuk aplikasi frekuensi rendah, dan tidak cocok untuk aplikasi frekuensi tinggi.

5. Beryllia (Beo)

BEO adalah struktur wurtzite dan sel adalah sistem kristal kubik. Konduktivitas termalnya sangat tinggi, fraksi massa BEO dari 99% keramik BEO, pada suhu kamar, konduktivitas termal (konduktivitas termal) dapat mencapai 310W/(m · k), sekitar 10 kali konduktivitas termal dari keramik kemurnian Al2O3 yang sama. Tidak hanya memiliki kapasitas perpindahan panas yang sangat tinggi, tetapi juga memiliki kehilangan konstanta dan dielektrik dielektrik rendah dan sifat isolasi dan mekanik yang tinggi, keramik Beo adalah bahan yang disukai dalam penerapan perangkat daya tinggi dan sirkuit yang membutuhkan konduktivitas termal tinggi.

Gambar 5: Struktur kristal beryllia

Konduktivitas termal yang tinggi dan karakteristik kerugian rendah dari BeO sejauh ini tidak tertandingi oleh bahan keramik lainnya, tetapi Beo memiliki kekurangan yang sangat jelas, dan bubuknya sangat beracun.

Saat ini, bahan substrat keramik yang umum digunakan di Cina terutama adalah Al2O3, ALN dan SI3N4. Substrat keramik yang dibuat oleh teknologi LTCC dapat mengintegrasikan komponen pasif seperti resistor, kapasitor, dan induktor dalam struktur tiga dimensi. Berbeda dengan integrasi semikonduktor, yang terutama merupakan perangkat aktif, LTCC memiliki kemampuan kabel interkoneksi 3D kepadatan tinggi.