Matériaux et caractéristiques des substrats en céramique

Avec les progrès et le développement de la technologie, le courant de fonctionnement, la température et la fréquence de travail dans les appareils ont progressivement augmenté. Afin de répondre à la fiabilité des appareils et des circuits, des exigences plus élevées ont été avancées pour les transporteurs de puces. Les substrats en céramique sont largement utilisés dans ces champs en raison de leurs excellentes propriétés thermiques, de leurs propriétés micro-ondes, de leurs propriétés mécaniques et de leur haute fiabilité.

À l'heure actuelle, les principaux matériaux céramiques utilisés dans les substrats en céramique sont: l'alumine (AL2O3), le nitrure d'aluminium (ALN), le nitrure de silicium (Si3N4), le carbure de silicium (SIC) et l'oxyde de béryllium (BeO).

Intensité de champ

Matériel _		Conductivité thermique	de la pureté	(W / km)	perturbatrice perturbatrice relative relative	( kv / mm ^ (- 1))	Bref Common nt S
Al2O3	99%	29	9,7	10	Performances les meilleures coûts, Des applications beaucoup plus larges
aln	99%	150	8,9	15	performances plus élevées, Mais un coût plus élevé
BeO	99%	310	6,4	10	poudre avec une limite hautement toxique pour utiliser
SI3N4	99%	106	9,4	100	performances globales optimales
SIC	99%	270	40	0,7	Ajustement uniquement pour les applications à basse fréquence

Voyons les brèves caractéristiques de ces 5 céramiques avancées pour les substrats comme suit:

1. Alumine (AL2O3)

Les polycristaux homogènes d'Al2O3 peuvent atteindre plus de 10 types, et les principaux types de cristal sont les suivants: α-AL2O3, β-al2O3, γ-AL2O3 et ZTA-AL2O3. Parmi eux, α-al2O3 a la plus faible activité et est la plus stable parmi les quatre principales formes cristallines, et sa cellule unitaire est un rhombohedron pointu, appartenant au système cristallin hexagonal. La structure α-AL2O3 est serrée, la structure de la corundum, peut exister de manière stable à toutes les températures; Lorsque la température atteint 1000 à 1600 ° C, d'autres variantes se transformeront irréversiblement en α-al2O3.

Figure 1: Microstruture cristalline d'Al2O3 sous SEM

Avec l'augmentation de la fraction de masse Al2O3 et la diminution de la fraction de masse de phase de verre de verre correspondante, la conductivité thermique de la céramique Al2O3 augmente rapidement, et lorsque la fraction de masse Al2O3 atteint 99%, sa conductivité thermique est doublée par rapport à celle lorsque la fraction de masse est 90%.

Bien que l'augmentation de la fraction de masse d'Al2O3 puisse améliorer les performances globales de la céramique, elle augmente également la température de frittage de la céramique, ce qui entraîne indirectement une augmentation des coûts de production.

2. Nitrure d'aluminium (ALN)

L'ALN est une sorte de composé de groupe ⅲ-V avec une structure de wurtzite. Sa cellule unitaire est le tétraèdre Aln4, qui appartient à un système cristallin hexagonal et a une forte liaison covalente, il a donc d'excellentes propriétés mécaniques et une résistance à la flexion élevée. Théoriquement, sa densité de cristal est de 3,2611g / cm3, donc elle a une conductivité thermique élevée, et le cristal aln pur a une conductivité thermique de 320W / (M · K) à température ambiante, et la conductivité thermique de l'Aln tiré à chaud à chaud Le substrat peut atteindre 150W / (m · k), ce qui est plus de 5 fois celui de l'AL2O3. Le coefficient de dilatation thermique est de 3,8 × 10-6 ~ 4,4 × 10-6 / ℃, ce qui est bien adapté au coefficient de dilatation thermique des matériaux de la puce semi-conducteurs tels que SI, SIC et GAAS.

Figure 2: poudre de nitrure d'aluminium

Les céramiques ALN ont une conductivité thermique plus élevée que la céramique Al2O3, qui remplace progressivement la céramique AL2O3 dans l'électronique de puissance haute puissance et d'autres dispositifs nécessitant une conduction thermique élevée et possède de larges perspectives d'application. Les céramiques ALN sont également considérées comme le matériau préféré pour la fenêtre de livraison d'énergie des dispositifs électroniques à vide de puissance en raison de leur coefficient d'émission d'électrons secondaire faible.

3. Nitrure de silicium (Si3N4)

Si3N4 est un composé lié de manière covalente avec trois structures cristallines: α-Si3N4, β-Si3N4 et γ-Si3N4. Parmi eux, α-Si3N4 et β-Si3N4 sont les formes cristallines les plus courantes, avec une structure hexagonale. La conductivité thermique de SI3N4 monocristalliste peut atteindre 400W / (M · K). Cependant, en raison de son transfert de chaleur phonon, il existe des défauts de réseau tels que la vacance et la dislocation dans le réseau réel, et les impuretés provoquent une augmentation de la diffusion des phonons, de sorte que la conductivité thermique de la céramique tirée réelle n'est qu'environ 20 W / (M · K) . En optimisant la proportion et le processus de frittage, la conductivité thermique a atteint 106W / (M · K). Le coefficient d'expansion thermique de Si3N4 est d'environ 3,0 × 10-6 / c, qui est bien adapté aux matériaux SI, SIC et GaAs, faisant de la céramique Si3N4 un matériau de substrat céramique attrayant pour des dispositifs électroniques à haute conductivité thermique.

Figure 3: poudre de nitrure de silicium

Parmi les substrats en céramique existants, les substrats en céramique SI3N4 sont considérés comme les meilleurs matériaux céramiques avec d'excellentes propriétés telles que la dureté élevée, la résistance mécanique élevée, la résistance élevée à la température et la stabilité thermique, la constante diélectrique faible et la perte diélectrique, la résistance à l'usure et la résistance à la corrosion. À l'heure actuelle, il est favorisé dans l'emballage des modules IGBT et remplace progressivement les substrats en céramique AL2O3 et ALN.

4. SILICON CARBUDE (SIC)

Le SIC monocusstal est connu sous le nom de matériau semi-conducteur de troisième génération, qui présente les avantages d'une bande interdite grande, d'une tension de panne élevée, d'une conductivité thermique élevée et d'une vitesse de saturation électronique élevée.

En ajoutant une petite quantité de BEO et B2O3 à SIC pour augmenter sa résistivité, puis en ajoutant les additifs de frittage correspondants dans la température supérieure à 1900 ℃ en utilisant un frittage à chaud, vous pouvez préparer la densité de plus de 98% de céramiques SIC. La conductivité thermique de la céramique SIC avec une pureté différente préparée par différentes méthodes de frittage et additifs est de 100 ~ 490W / (M · K) à température ambiante. Étant donné que la constante diélectrique de la céramique SIC est très grande, elle ne convient que pour les applications à basse fréquence et ne convient pas aux applications à haute fréquence.

5. Beryllia (Beo)

Le BEO est une structure de wurtzite et la cellule est un système cristallin cube. Sa conductivité thermique est très élevée, la fraction de masse BEO de 99% de céramiques BEO, à température ambiante, sa conductivité thermique (conductivité thermique) peut atteindre 310W / (M · K), environ 10 fois la conductivité thermique de la même céramique PURITY AL2O3. Non seulement a une capacité de transfert de chaleur très élevée, mais a également une faible constante diélectrique et une perte diélectrique et des propriétés d'isolation et mécaniques élevées, les céramiques BEO sont le matériau préféré dans l'application de dispositifs et de circuits de haute puissance nécessitant une conductivité thermique élevée.

Figure 5: Structure cristalline de Beryllia

La conductivité thermique élevée et les faibles caractéristiques de perte de BEO sont jusqu'à présent inégalées par d'autres matériaux en céramique, mais BEO a des lacunes très évidentes, et sa poudre est très toxique.

À l'heure actuelle, les matériaux de substrat en céramique couramment utilisés en Chine sont principalement AL2O3, ALN et SI3N4. Le substrat en céramique fabriqué par la technologie LTCC peut intégrer des composants passifs tels que les résistances, les condensateurs et les inductances dans la structure tridimensionnelle. Contrairement à l'intégration de semi-conducteurs, qui sont principalement des dispositifs actifs, le LTCC a des capacités de câblage d'interconnexion 3D à haute densité.