Vật liệu và đặc điểm của chất nền gốm

Với sự tiến bộ và phát triển của công nghệ, dòng điện hoạt động, nhiệt độ làm việc và tần suất trong các thiết bị đã dần dần trở nên cao hơn. Để đáp ứng độ tin cậy của các thiết bị và mạch, các yêu cầu cao hơn đã được đưa ra cho các nhà mạng CHIP. Các chất nền gốm được sử dụng rộng rãi trong các trường này vì tính chất nhiệt tuyệt vời, tính chất vi sóng, tính chất cơ học và độ tin cậy cao.

Hiện tại, các vật liệu gốm chính được sử dụng trong chất nền gốm là: alumina (AL2O3), nhôm nitride (ALN), silicon nitride (SI3N4), cacbua silicon (SIC) và oxit beryllium (BEO).

Vật liệu		Độ dẫn nhiệt	độ tinh khiết	.	_	_ _	_ _ _
_	_	_	_	_	_ Ứng dụng rộng hơn nhiều
ALN	99%	150	8,9	15	Hiệu suất cao hơn, Nhưng chi phí cao hơn
beo	99%	310	6.4	10	Bột có độc tính cao, giới hạn sử dụng
SI3N4	99%	106	9.4	100	Hiệu suất tổng thể tối ưu
SIC	99%	270	40	0.7	Chỉ phù hợp với các ứng dụng tần số thấp

Hãy xem các đặc điểm ngắn gọn của 5 gốm nâng cao này cho các chất nền như sau:

1. Alumina (AL2O3)

Các đa tinh thể đồng nhất AL2O3 có thể đạt hơn 10 loại và các loại tinh thể chính như sau: α-Al2O3, β-Al2O3,-Al2O3 và ZTA-Al2O3. Trong số đó, α-Al2O3 có hoạt động thấp nhất và ổn định nhất trong số bốn dạng tinh thể chính và tế bào đơn vị của nó là một hình thoi nhọn, thuộc hệ thống tinh thể lục giác. Cấu trúc α-Al2O3 là chặt chẽ, cấu trúc corundum, có thể tồn tại ổn định ở mọi nhiệt độ; Khi nhiệt độ đạt tới 1000 ~ 1600 ° C, các biến thể khác sẽ biến đổi thành α-Al2O3.

Hình 1: Microstruture của Al2O3 theo SEM

Với sự gia tăng của phần khối lượng AL2O3 và giảm phần khối lượng pha thủy tinh tương ứng, độ dẫn nhiệt của gốm AL2O3 tăng nhanh và khi phần khối AL2O3 đạt 99%, độ dẫn nhiệt của nó được tăng gấp đôi so với phần khối lượng 90%.

Mặc dù việc tăng tỷ lệ khối lượng của AL2O3 có thể cải thiện hiệu suất tổng thể của gốm sứ, nhưng nó cũng làm tăng nhiệt độ thiêu kết của gốm sứ, điều này gián tiếp dẫn đến sự gia tăng chi phí sản xuất.

2. Nhôm nitride (ALN)

ALN là một loại hợp chất ⅲ-V với cấu trúc wurtzite. Tế bào đơn vị của nó là tứ diện ALN4, thuộc hệ thống tinh thể lục giác và có liên kết cộng hóa trị mạnh, do đó nó có tính chất cơ học tuyệt vời và cường độ uốn cao. Về mặt lý thuyết, mật độ tinh thể của nó là 3,2611g/cm3, do đó nó có độ dẫn nhiệt cao và tinh thể ALN tinh khiết có độ dẫn nhiệt là 320W/(m · k) Chất nền có thể đạt 150W/(m · k), gấp hơn 5 lần so với AL2O3. Hệ số giãn nở nhiệt là 3,8 × 10-6 ~ 4,4 × 10-6/, phù hợp với hệ số giãn nở nhiệt của các vật liệu chip bán dẫn như SI, SIC và GaAs.

Hình 2: Bột nhôm nitride

Gốm ALN có độ dẫn nhiệt cao hơn gốm AL2O3, dần dần thay thế gốm Al2O3 trong điện tử năng lượng cao và các thiết bị khác đòi hỏi sự dẫn nhiệt cao và có triển vọng ứng dụng rộng. Gốm Aln cũng được coi là vật liệu ưa thích cho cửa sổ phân phối năng lượng của các thiết bị điện tử chân không năng lượng do hệ số phát xạ điện tử thứ cấp thấp của chúng.

3. Nitride silicon (SI3N4)

SI3N4 là một hợp chất liên kết cộng hóa trị với ba cấu trúc tinh thể: α-SI3N4, β-SI3N4 và γ-SI3N4. Trong số đó, α-SI3N4 và β-SI3N4 là các dạng tinh thể phổ biến nhất, với cấu trúc lục giác. Độ dẫn nhiệt của tinh thể đơn Si3N4 có thể đạt 400W/(m · k). Tuy nhiên, do truyền nhiệt phonon của nó, có những khiếm khuyết mạng như chỗ trống và trật khớp trong mạng thực tế, và tạp chất gây ra sự tán xạ phonon tăng lên, do đó độ dẫn nhiệt của gốm sứ thực tế chỉ khoảng 20W/(m · k) . Bằng cách tối ưu hóa tỷ lệ và quá trình thiêu kết, độ dẫn nhiệt đã đạt 106W/(m · k). Hệ số giãn nở nhiệt của SI3N4 là khoảng 3.0 × 10-6/ c, phù hợp với vật liệu Si, SiC và GaAs, làm cho gốm SI3N4 trở thành vật liệu nền gốm hấp dẫn cho các thiết bị điện tử dẫn nhiệt cao.

Hình 3: Bột nitride silicon

Trong số các chất nền gốm hiện tại, các chất nền gốm SI3N4 được coi là vật liệu gốm tốt nhất có tính chất tuyệt vời như độ cứng cao, cường độ cơ học cao, điện trở nhiệt độ cao và độ ổn định nhiệt, hằng số điện môi thấp và mất điện môi, điện trở hao mòn và chống ăn mòn. Hiện tại, nó được ưa chuộng trong bao bì mô -đun IGBT và dần dần thay thế các chất nền gốm AL2O3 và ALN.

4.Silicon cacbua (sic)

SIC tinh thể đơn được gọi là vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba, có những ưu điểm của khoảng cách dải lớn, điện áp phân hủy cao, độ dẫn nhiệt cao và tốc độ bão hòa điện tử cao.

Bằng cách thêm một lượng nhỏ BEO và B2O3 vào SIC để tăng điện trở suất của nó, sau đó thêm các chất phụ nhân thiêu kết tương ứng ở nhiệt độ trên 1900 ℃ Sử dụng thiêu kết ép nóng, bạn có thể chuẩn bị mật độ hơn 98% gốm SIC. Độ dẫn nhiệt của gốm sic với độ tinh khiết khác nhau được điều chế bằng các phương pháp thiêu kết và phụ gia khác nhau là 100 ~ 490W/(m · k) ở nhiệt độ phòng. Bởi vì hằng số điện môi của gốm sic rất lớn, nên nó chỉ phù hợp cho các ứng dụng tần số thấp và không phù hợp cho các ứng dụng tần số cao.

5. Beryllia (BEO)

BEO là cấu trúc wurtzite và tế bào là hệ thống tinh thể khối. Độ dẫn nhiệt của nó rất cao, tỷ lệ khối lượng BEO của gốm BEO 99%, ở nhiệt độ phòng, độ dẫn nhiệt (độ dẫn nhiệt) của nó có thể đạt tới 310W/(m · k), gấp 10 lần độ dẫn nhiệt của cùng một gốm AL2O3 độ tinh khiết. Không chỉ có khả năng truyền nhiệt rất cao, mà còn có mất điện môi và mất điện môi thấp và các đặc tính cách nhiệt và cơ học cao, gốm BEO là vật liệu ưa thích trong việc áp dụng các thiết bị và mạch năng lượng cao đòi hỏi độ dẫn nhiệt cao.

Hình 5: Cấu trúc tinh thể của Beryllia

Độ dẫn nhiệt cao và đặc điểm tổn thất thấp của BEO cho đến nay không thể so sánh với các vật liệu gốm khác, nhưng BEO có những thiếu sót rất rõ ràng, và bột của nó rất độc.

Hiện tại, các vật liệu cơ chất gốm thường được sử dụng ở Trung Quốc chủ yếu là AL2O3, ALN và SI3N4. Chất nền gốm được tạo ra bởi công nghệ LTCC có thể tích hợp các thành phần thụ động như điện trở, tụ điện và cuộn cảm trong cấu trúc ba chiều. Trái ngược với sự tích hợp của chất bán dẫn, chủ yếu là các thiết bị hoạt động, LTCC có khả năng nối dây kết nối 3D mật độ cao.