सिरेमिक सब्सट्रेट की सामग्री और विशेषताएं

प्रौद्योगिकी की प्रगति और विकास के साथ, उपकरणों में ऑपरेटिंग करंट, वर्किंग तापमान और आवृत्ति धीरे -धीरे अधिक हो रही है। उपकरणों और सर्किटों की निर्भरता को पूरा करने के लिए, उच्च आवश्यकताओं को चिप वाहक के लिए आगे रखा गया है। सिरेमिक सब्सट्रेट इन क्षेत्रों में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं क्योंकि उनके उत्कृष्ट थर्मल गुण, माइक्रोवेव गुण, यांत्रिक गुण और उच्च विश्वसनीयता के कारण।

वर्तमान में, सिरेमिक सब्सट्रेट में उपयोग की जाने वाली मुख्य सिरेमिक सामग्री हैं: एल्यूमिना (AL2O3), एल्यूमीनियम नाइट्राइड (ALN), सिलिकॉन नाइट्राइड (SI3N4), सिलिकॉन कार्बाइड (SIC) और बेरिलियम ऑक्साइड (BEO)।

विघटनकारी

सामग्री _	शुद्धता	तापीय चालकता (डब्ल्यू/किमी)	सापेक्ष विद्युत निरंतर	क्षेत्र की तीव्रता	( केवी/मिमी
^	(	-	1	)	)	बहुत व्यापक अनुप्रयोग
ALN	99%	150	8.9	15	उच्च प्रदर्शन, लेकिन उच्च लागत
Beo	99%	310	6.4	10	पाउडर अत्यधिक विषाक्त के साथ
,	SI3N4	99	%	106	9.4
का	उपयोग	करने	के	लिए	सीमा

आइए सब्सट्रेट के लिए इन 5 उन्नत सिरेमिक की संक्षिप्त विशेषताओं को इस प्रकार देखें:

1. एल्यूमिना (AL2O3)

AL2O3 समरूप पॉलीक्रिस्टल 10 से अधिक प्रकार तक पहुंच सकते हैं, और मुख्य क्रिस्टल प्रकार इस प्रकार हैं: α-AL2O3, β-Al2O3, γ-AL2O3 और ZTA-AL2O3। उनमें से, α-Al2O3 में सबसे कम गतिविधि होती है और यह चार मुख्य क्रिस्टल रूपों में सबसे अधिक स्थिर है, और इसकी यूनिट सेल एक नुकीला rhombohedron है, जो हेक्सागोनल क्रिस्टल सिस्टम से संबंधित है। α-Al2O3 संरचना तंग है, कोरंडम संरचना, सभी तापमानों पर स्थिर रूप से मौजूद हो सकती है; जब तापमान 1000 ~ 1600 ° C तक पहुंच जाता है, तो अन्य वेरिएंट अपरिवर्तनीय रूप से α-Al2O3 में बदल जाएंगे।

चित्रा 1: SEM के तहत Al2O3 का क्रिस्टल माइक्रोस्ट्रुचर

Al2O3 द्रव्यमान अंश की वृद्धि और इसी ग्लास चरण द्रव्यमान अंश की कमी के साथ, Al2O3 सिरेमिक की थर्मल चालकता तेजी से बढ़ जाती है, और जब Al2O3 द्रव्यमान अंश 99%तक पहुंच जाता है, तो इसकी तुलना में थर्मल चालकता दोगुनी हो जाती है जब द्रव्यमान अंश होता है। 90%।

यद्यपि Al2O3 के द्रव्यमान अंश को बढ़ाने से मिट्टी के पात्र के समग्र प्रदर्शन में सुधार हो सकता है, यह सिरेमिक के सिंटरिंग तापमान को भी बढ़ाता है, जो अप्रत्यक्ष रूप से उत्पादन लागत में वृद्धि की ओर जाता है।

2. एल्यूमीनियम नाइट्राइड (ALN)

ALN Wurtzite संरचना के साथ एक प्रकार का समूह ⅲ-V यौगिक है। इसकी यूनिट सेल ALN4 टेट्राहेड्रॉन है, जो हेक्सागोनल क्रिस्टल सिस्टम से संबंधित है और इसमें मजबूत सहसंयोजक बंधन है, इसलिए इसमें उत्कृष्ट यांत्रिक गुण और उच्च झुकने की ताकत है। सैद्धांतिक रूप से, इसका क्रिस्टल घनत्व 3.2611g/cm3 है, इसलिए इसमें उच्च तापीय चालकता है, और शुद्ध ALN क्रिस्टल में कमरे के तापमान पर 320W/(m · k) की थर्मल चालकता है, और गर्म-दबाए गए ALN की तापीय चालकता है सब्सट्रेट 150w/(m · k) तक पहुंच सकता है, जो Al2O3 के 5 गुना से अधिक है। थर्मल विस्तार गुणांक 3.8 × 10-6 ~ 4.4 × 10-6/℃ है, जो सी, एसआईसी और जीएएएस जैसे अर्धचालक चिप सामग्री के थर्मल विस्तार गुणांक के साथ अच्छी तरह से मेल खाता है।

चित्रा 2: एल्यूमीनियम नाइट्राइड का पाउडर

ALN सिरेमिक में Al2O3 सिरेमिक की तुलना में अधिक तापीय चालकता होती है, जो धीरे-धीरे उच्च-शक्ति पावर इलेक्ट्रॉनिक्स और उच्च गर्मी चालन की आवश्यकता वाले अन्य उपकरणों में AL2O3 सिरेमिक को बदल देती है, और इसमें व्यापक अनुप्रयोग संभावनाएं होती हैं। ALN सिरेमिक को उनके कम माध्यमिक इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन गुणांक के कारण पावर वैक्यूम इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की ऊर्जा वितरण खिड़की के लिए पसंदीदा सामग्री के रूप में भी माना जाता है।

3. सिलिकॉन नाइट्राइड (SI3N4)

SI3N4 तीन क्रिस्टल संरचनाओं के साथ एक सहसंयोजक बंधुआ यौगिक है: α-SI3N4, β-SI3N4, और γ-SI3N4। उनमें से, α-SI3N4 और β-SI3N4 हेक्सागोनल संरचना के साथ सबसे आम क्रिस्टल रूप हैं। एकल क्रिस्टल SI3N4 की थर्मल चालकता 400W/(m · k) तक पहुंच सकती है। हालांकि, इसके फोनन हीट ट्रांसफर के कारण, वास्तविक जाली में रिक्ति और अव्यवस्था जैसे जाली दोष हैं, और अशुद्धियों के कारण फोनन बिखरने का कारण बनता है, इसलिए वास्तविक फायर किए गए सेरामिक्स की थर्मल चालकता केवल 20w/(m · k) के बारे में है। । अनुपात और सिंटरिंग प्रक्रिया को अनुकूलित करके, थर्मल चालकता 106W/(m · k) तक पहुंच गई है। SI3N4 का थर्मल विस्तार गुणांक लगभग 3.0 × 10-6/ C है, जो SI, SIC और GAAS सामग्री के साथ अच्छी तरह से मेल खाता है, जिससे SI3N4 सिरेमिक उच्च तापीय चालकता इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए एक आकर्षक सिरेमिक सब्सट्रेट सामग्री बन जाता है।

चित्रा 3: सिलिकॉन नाइट्राइड का पाउडर

मौजूदा सिरेमिक सब्सट्रेट में, SI3N4 सिरेमिक सब्सट्रेट को उच्च कठोरता, उच्च यांत्रिक शक्ति, उच्च तापमान प्रतिरोध और थर्मल स्थिरता, कम ढांकता हुआ निरंतर और ढांकता हुआ नुकसान, पहनने के प्रतिरोध और संक्षारण प्रतिरोध जैसे उत्कृष्ट गुणों के साथ सबसे अच्छा सिरेमिक सामग्री माना जाता है। वर्तमान में, यह IGBT मॉड्यूल पैकेजिंग में इष्ट है और धीरे -धीरे AL2O3 और ALN सिरेमिक सब्सट्रेट की जगह लेता है।

4.Silicon कार्बाइड (SIC)

सिंगल क्रिस्टल एसआईसी को तीसरी पीढ़ी के सेमीकंडक्टर सामग्री के रूप में जाना जाता है, जिसमें बड़े बैंड गैप, उच्च ब्रेकडाउन वोल्टेज, उच्च तापीय चालकता और उच्च इलेक्ट्रॉन संतृप्ति गति के फायदे हैं।

अपनी प्रतिरोधकता को बढ़ाने के लिए SIC के लिए BEO और B2O3 की एक छोटी मात्रा को जोड़कर, और फिर 1900 से ऊपर के तापमान में संबंधित सिंटरिंग एडिटिव्स को जोड़कर ℃ गर्म दबाव वाले सिंटरिंग का उपयोग करके, आप 98% से अधिक SIC सिरेमिक के घनत्व को तैयार कर सकते हैं। अलग -अलग सिंटरिंग विधियों और एडिटिव्स द्वारा तैयार अलग -अलग शुद्धता के साथ एसआईसी सिरेमिक की थर्मल चालकता कमरे के तापमान पर 100 ~ 490w/(m · k) है। क्योंकि SIC सिरेमिक का ढांकता हुआ स्थिरांक बहुत बड़ा है, यह केवल कम-आवृत्ति अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है, और उच्च-आवृत्ति अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त नहीं है।

5. बेरिलिया (बीओ)

BEO Wurtzite संरचना है और सेल क्यूबिक क्रिस्टल सिस्टम है। इसकी थर्मल चालकता बहुत अधिक है, 99% बीओ सिरेमिक का बीईओ द्रव्यमान अंश, कमरे के तापमान पर, इसकी थर्मल चालकता (थर्मल चालकता) 310w/(m · k) तक पहुंच सकती है, एक ही शुद्धता Al2O3 सिरेमिक की थर्मल चालकता से लगभग 10 गुना। न केवल एक बहुत उच्च गर्मी हस्तांतरण क्षमता है, बल्कि कम ढांकता हुआ स्थिर और ढांकता हुआ नुकसान और उच्च इन्सुलेशन और यांत्रिक गुण भी हैं, बीओ सिरेमिक उच्च-शक्ति वाले उपकरणों और सर्किटों के आवेदन में पसंदीदा सामग्री हैं जो उच्च तापीय चालकता की आवश्यकता होती है।

चित्रा 5: बेरिलिया की क्रिस्टल संरचना

BEO की उच्च तापीय चालकता और कम हानि विशेषताओं को अन्य सिरेमिक सामग्रियों द्वारा अब तक बेजोड़ किया गया है, लेकिन BEO में बहुत स्पष्ट कमियां हैं, और इसका पाउडर अत्यधिक विषाक्त है।

वर्तमान में, चीन में आमतौर पर इस्तेमाल की जाने वाली सिरेमिक सब्सट्रेट सामग्री मुख्य रूप से AL2O3, ALN और SI3N4 हैं। LTCC तकनीक द्वारा बनाई गई सिरेमिक सब्सट्रेट तीन आयामी संरचना में प्रतिरोधों, कैपेसिटर और इंडक्टरों जैसे निष्क्रिय घटकों को एकीकृत कर सकता है। अर्धचालक के एकीकरण के विपरीत, जो मुख्य रूप से सक्रिय उपकरण हैं, LTCC में उच्च घनत्व 3 डी इंटरकनेक्ट वायरिंग क्षमताएं हैं।