Istnieje wiele rodzajów elektronicznych podłoży opakowaniowych, a powszechnie stosowane podłoża dzielą się głównie na plastikowe podłoża opakowaniowe, metalowe podłoża opakowaniowe i ceramiczne podłoża opakowaniowe. Plastikowe materiały opakowaniowe mają zwykle niską przewodność cieplną i niską niezawodność i nie są odpowiednie do wysokich wymagań. Metalowe materiały opakowaniowe mają wysoką przewodność cieplną, ale ogólny współczynnik rozszerzalności cieplnej nie pasuje, a cena jest wysoka.
Podłoża ceramiczne są powszechnie stosowane w opakowaniach elektronicznych. W porównaniu z podłożami plastikowymi i metalowymi, podłoża ceramiczne mają następujące zalety:
(1) Dobra wydajność izolacji i wysoka niezawodność;
(2) Niski współczynnik dielektryczny, wysoka częstotliwość pracy;
(3) Niski współczynnik rozszerzalności cieplnej i wysoka przewodność cieplna;
(4) Dzięki dobrej szczelności i stabilnym właściwościom chemicznym odgrywa silną rolę ochronną dla systemu elektronicznego.
W związku z tym nadaje się do zastosowań w lotnictwie, kosmonautyce i inżynierii wojskowej o wysokiej niezawodności, wysokiej częstotliwości, odporności na wysoką temperaturę, szczelności opakowania produktu. Bardzo małe chipowe komponenty elektroniczne są szeroko stosowane w dziedzinie komunikacji mobilnej, komputerów, urządzeń gospodarstwa domowego i elektroniki samochodowej itp., a ich materiały nośne są często zamknięte w ceramicznych podłożach.
Obecnie kilka powszechnie stosowanych ceramicznych materiałów podłoża do opakowań elektronicznych obejmuje tlenek glinu (Al2O3), azotek glinu (AlN), azotek krzemu (Si3N4), węglik krzemu (SiC), azotek boru (BN), tlenek berylu (BeO).
Podłoże ceramiczne Al2O3
Ceramika Al2O3 ogólnie odnosi się do Al2O3 jako głównego surowca, głównie fazy krystalicznej alfa Al2O3, zawartości Al2O3 w ponad 75% wszystkich rodzajów ceramiki, ma bogate źródła surowców, niski koszt, wysoką wytrzymałość mechaniczną i twardość, dobrą izolacyjność i dobrą odporność na szok termiczny, odporność na korozję chemiczną, wysoką dokładność wymiarową, zalety dobrej przyczepności do metalu, jest rodzajem kompleksowej wydajności lepszych ceramicznych materiałów podłoża. Podłoże ceramiczne Al2O3 jest szeroko stosowane w przemyśle elektronicznym, stanowiąc 90% całkowitej ilości podłoża ceramicznego i stało się niezbędnym materiałem dla przemysłu elektronicznego.
Obecnie stosowane podłoża ceramiczne Al2O3 to głównie podłoża wielowarstwowe. Zawartość Al2O3 poprawia wydajność izolacji elektrycznej, przewodność cieplną i odporność na uderzenia, ale jednocześnie prowadzi do wzrostu temperatury spiekania i kosztów produkcji. W celu obniżenia temperatury spiekania i zapewnienia właściwości mechanicznych i elektrycznych podłoży ceramicznych Al2O3, często dodaje się pewną ilość spiekanych AIDS, takich jak B2O3, MgO, CaO, SiO2, TiO2, Nb2O5, Cr2O3, CuO, Y2O3, La2O3 i Sm2O3, w celu przyspieszenia spiekania.
Chociaż ceramiczne podłoże Al2O3 ma dużą moc wyjściową i szerokie zastosowanie, jest ono ograniczone w stosowaniu układów scalonych o wysokiej częstotliwości, dużej mocy i bardzo dużej skali ze względu na wyższą przewodność cieplną w porównaniu z monokryształem krzemu.
Podłoże ceramiczne AlN
Podłoże ceramiczne AlN to nowy rodzaj materiału podłoża, stała sieciowa kryształów AlN dla a = 0,3110 nm, c = 0,4890 nm, układ heksagonalny, oparty na [AlN4] tetraedronowej jednostce struktury związku kowalencyjnego wurtzite, dobra przewodność cieplna, niezawodna izolacja elektryczna, niska stała dielektryczna i straty dielektryczne, nietoksyczny i dopasowany do współczynnika rozszerzalności cieplnej krzemu i tak dalej szereg doskonałych cech, jest uważany za nową generację podłoży półprzewodnikowych o wysokiej integracji i ideał materiałów opakowaniowych dla elektroniki. .
Proces przygotowania proszku AlN, podstawowego surowca ceramiki AlN, jest złożony, zużywa dużo energii, ma długi cykl i jest kosztowny. Wysoki koszt ogranicza szerokie zastosowanie ceramiki AlN, więc podłoża ceramiczne AlN są stosowane głównie w branżach wysokiej klasy. .
Podłoże ceramiczne Si3N4
Si3N4 ma trzy struktury krystaliczne, a mianowicie fazę, fazę i fazę, wśród których faza i faza są najczęstszymi formami Si3N4 i wszystkie są strukturami heksagonalnymi. Si3N4 ma wiele doskonałych właściwości, takich jak duża twardość, wysoka wytrzymałość, mały współczynnik rozszerzalności cieplnej, małe pełzanie w wysokiej temperaturze, dobra odporność na utlenianie, dobra wydajność korozji termicznej i mały współczynnik tarcia. Teoretyczna przewodność cieplna monokrystalicznego azotku krzemu wynosi do 400 W/(m-K) i może stać się podłożem o wysokiej przewodności cieplnej. Ponadto współczynnik rozszerzalności cieplnej Si3N4 wynosi około 3,0×10-6 ℃, co jest dobrze dopasowane do Si, SiC, GaAs i innych materiałów, dzięki czemu ceramika Si3N4 jest bardzo atrakcyjnym materiałem podłoża dla urządzeń elektronicznych o wysokiej wytrzymałości i wysokiej przewodności cieplnej [4].
Ceramika Si3N4 ma jednak słabe właściwości dielektryczne (stała dielektryczna wynosi 8,3, strata dielektryczna wynosi 0,001 ~ 0,1) i wysokie koszty produkcji, co ogranicza jej zastosowanie jako elektronicznego podłoża ceramicznego.
Podłoże ceramiczne SiC
Ceramika SiC ma wysoką przewodność cieplną, która waha się od 100 W / (m-k) do 400 W / (m-k) w wysokiej temperaturze, 13 razy wyższą niż Al2O3. Dobra wydajność przeciwutleniania, temperatura rozkładu powyżej 2500 ℃, w atmosferze utleniającej przy 1600 ℃ może być nadal używana; Ponadto izolacja elektryczna jest dobra, a współczynnik rozszerzalności cieplnej jest niższy niż Al2O3 i AlN. Ceramika SiC ma silne właściwości wiązań kowalencyjnych i jest trudna do spiekania. Niewielka ilość boru lub tlenku glinu jest zwykle dodawana jako spiekanie AIDS w celu poprawy gęstości. Eksperymenty pokazują, że beryl, bor, aluminium i ich związki są najskuteczniejszymi dodatkami, które mogą sprawić, że gęstość ceramiki SiC osiągnie więcej niż 98%. .
Jednak stała dielektryczna SiC jest zbyt wysoka, 4 razy większa niż AlN, a jego wytrzymałość na ściskanie jest niska, więc nadaje się tylko do opakowań o niskiej gęstości, ale nie do opakowań o wysokiej gęstości. Oprócz elementów układów scalonych, elementów matryc i diod laserowych itp., jest on również stosowany do elementów konstrukcyjnych o przewodności elektrycznej.
Podłoże ceramiczne BeO
BeO to tlenki metali ziem alkalicznych tylko w sześciu partiach struktury wurtzitu, ponieważ BeO ma wurtzit i silną strukturę wiązań kowalencyjnych, a względna masa cząsteczkowa jest niska, dlatego ma wysoką przewodność cieplną, tlenek glinu BeO jest około 10 razy, jego przewodność cieplna w temperaturze pokojowej może osiągnąć 250 w / (m K), a przewodność cieplna metalu, a także w wysokiej temperaturze, wysokiej częstotliwości, jego wydajność elektryczna, dobra odporność na ciepło, odporność na uderzenia i delikatna stabilność chemiczna.
Chociaż BeO ma pewne dobre właściwości, jego śmiertelną wadą jest ekstremalna toksyczność proszku. Długotrwałe wdychanie pyłu BeO spowoduje zatrucie, a nawet zagrożenie życia, i spowoduje zanieczyszczenie środowiska, co znacznie wpływa na produkcję i zastosowanie ceramicznego podłoża BeO [5]. Ponadto BeO jest drogi w produkcji, co ogranicza jego produkcję i zastosowanie. Jego zastosowanie jest ograniczone do następujących aspektów: radiatory tranzystorów dużej mocy, radiatory urządzeń półprzewodnikowych wysokiej częstotliwości i dużej mocy, lampy emisyjne, TWTS, lampy laserowe, klistrony itp. Podłoża ceramiczne BeO są czasami stosowane w awionice i komunikacji satelitarnej ze względu na wysoką przewodność cieplną i idealne właściwości w zakresie wysokich częstotliwości.
Podłoże ceramiczne BN
BN może być krystalizowany w dwóch różnych formach: sześciokątnej i sześciennej. Wśród nich sześcienny kryształ BN ma wysoką twardość i odporność na wysoką temperaturę 1500 ~ 1600 ℃, co jest odpowiednie dla materiałów supertwardych. Sześciokątny BN może utrzymać wysoką stabilność chemiczną i mechaniczną w bardzo wysokiej temperaturze przy prawidłowej obróbce cieplnej. Materiał BN ma wysoką stabilność termiczną, stabilność chemiczną i izolację elektryczną, tymczasem przewodność cieplna ceramiki BN jest równa przewodności cieplnej stali nierdzewnej w temperaturze pokojowej, a właściwości dielektryczne są dobre. BN ma lepszą kruchość niż większość ceramiki, mniejszy współczynnik rozszerzalności cieplnej, silną odporność na szok termiczny i może wytrzymać gwałtowne zmiany różnicy temperatur powyżej 1500 ℃.
Zarówno sześcienny BN, jak i sześciokątny BN są przygotowywane w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem, które są typowymi kryształami o wiązaniach kowalencyjnych. Ze względu na wysoką przewodność cieplną, przewodność cieplna prawie nie zmienia się wraz z temperaturą, małą stałą dielektryczną i dobre właściwości izolacyjne, BN jest stosowany w oknach radarowych, podstawach lamp tranzystorów dużej mocy, osłonach lamp, radiatorach i mikrofalowych oknach wyjściowych. Jednak sześcienny BN jest zbyt drogi, aby można go było wykorzystać w produkcji materiałów ceramicznych o wysokiej przewodności cieplnej. Niedopasowanie współczynnika rozszerzalności cieplnej do krzemu również ogranicza jego zastosowanie. .
