Existem muitos tipos de substratos para embalagens electrónicas, e os substratos normalmente utilizados dividem-se principalmente em substratos para embalagens de plástico, substratos para embalagens de metal e substratos para embalagens de cerâmica. Os materiais de embalagem de plástico têm geralmente baixa condutividade térmica e pouca fiabilidade, não sendo adequados para requisitos elevados. Os materiais de embalagem de metal têm uma elevada condutividade térmica, mas o coeficiente de expansão térmica geral não corresponde e o preço é elevado.
Os substratos cerâmicos são normalmente utilizados em embalagens electrónicas. Em comparação com os substratos de plástico e os substratos de metal, os substratos cerâmicos apresentam as seguintes vantagens
(1) bom desempenho de isolamento e elevada fiabilidade;
(2) Baixo coeficiente dielétrico, desempenho em alta frequência;
(3) Baixo coeficiente de expansão térmica e elevada condutividade térmica;
(4) Com boa estanquidade ao ar e desempenho químico estável, desempenha um forte papel de proteção do sistema eletrónico.
Por conseguinte, é adequado para a engenharia aeronáutica, aeroespacial e militar, com elevada fiabilidade, alta frequência, resistência a altas temperaturas e estanquidade ao ar da embalagem do produto. Os componentes electrónicos de pastilhas ultra-pequenas são amplamente utilizados nos domínios das comunicações móveis, informática, electrodomésticos e eletrónica automóvel, etc., e os seus materiais de suporte são frequentemente encapsulados em substratos cerâmicos.
Atualmente, vários materiais de substrato cerâmico comummente utilizados em embalagens electrónicas incluem a alumina (Al2O3), o nitreto de alumínio (AlN), o nitreto de silício (Si3N4), o carboneto de silício (SiC), o nitreto de boro (BN) e o óxido de berílio (BeO).
Substrato de cerâmica Al2O3
A cerâmica Al2O3 refere-se geralmente ao Al2O3 como principal matéria-prima, principalmente da fase cristalina do Al2O3 alfa, o teor de Al2O3 em mais de 75% de todos os tipos de cerâmica, tem fontes de matéria-prima ricas, baixo custo, alta resistência mecânica e dureza, bom desempenho de isolamento e bom desempenho de choque térmico, resistência à corrosão química, alta precisão dimensional, as vantagens da boa adesão com o metal, é um tipo de desempenho abrangente melhores materiais de substrato cerâmico. O substrato cerâmico Al2O3 é amplamente utilizado na indústria eletrónica, representando 90% da quantidade total de substrato cerâmico, e tornou-se um material indispensável para a indústria eletrónica.
Os substratos cerâmicos de Al2O3 atualmente utilizados são, na sua maioria, substratos multicamadas. O teor de Al2O3 melhora o desempenho do isolamento elétrico, a condutividade térmica e a resistência ao impacto, mas, ao mesmo tempo, conduz a um aumento da temperatura de sinterização e do custo de produção. Para reduzir a temperatura de sinterização e garantir as propriedades mecânicas e eléctricas dos substratos cerâmicos de Al2O3, é frequentemente adicionada uma certa quantidade de SIDA de sinterização, como B2O3, MgO, CaO, SiO2, TiO2, Nb2O5, Cr2O3, CuO, Y2O3, La2O3 e Sm2O3, para promover a sinterização.
Embora o substrato cerâmico Al2O3 tenha um grande rendimento e uma vasta aplicação, é limitado na utilização de alta frequência, alta potência e circuitos integrados de grande escala devido à sua maior condutividade térmica em comparação com o cristal único de silício.
Substrato cerâmico de AlN
O substrato cerâmico de AlN é um novo tipo de material de substrato, a constante de rede dos cristais de AlN para a = 0,3110 nm, c = 0,4890 nm, sistema hexagonal, com base na unidade de estrutura do tetraedro [AlN4] do composto de ligação covalente de wurtzite, boa condutividade térmica, um isolamento elétrico fiável, baixa constante dieléctrica e perda dieléctrica, não tóxico, e corresponde ao coeficiente de expansão térmica do silício e assim por diante uma série de excelentes caraterísticas, é considerado uma nova geração de substrato de semicondutor de alta integração e o ideal dos materiais de embalagem eletrónica. .
O processo de preparação do pó de AlN, a principal matéria-prima das cerâmicas de AlN, é complexo, tem um elevado consumo de energia, um ciclo longo e é dispendioso. O custo elevado limita a aplicação alargada das cerâmicas AlN, pelo que os substratos cerâmicos AlN são utilizados principalmente nas indústrias de topo de gama. .
Substrato cerâmico de Si3N4
O Si3N4 tem três estruturas cristalinas, nomeadamente fase, fase e fase, entre as quais a fase e a fase são as formas mais comuns de Si3N4, sendo todas elas estruturas hexagonais. O Si3N4 tem muitas propriedades excelentes, como grande dureza, alta resistência, pequeno coeficiente de expansão térmica, pequena fluência a alta temperatura, boa resistência à oxidação, bom desempenho de corrosão térmica e pequeno coeficiente de atrito. A condutividade térmica teórica do nitreto de silício monocristalino é de até 400W/(m-K), e tem potencial para se tornar um substrato de alta condutividade térmica. Além disso, o coeficiente de expansão térmica do Si3N4 é de cerca de 3.0 × 10-6 ℃, que é bem compatível com Si, SiC, GaAs e outros materiais, tornando a cerâmica Si3N4 um material de substrato muito atraente para dispositivos eletrônicos de alta resistência e alta condutividade térmica [4].
No entanto, as cerâmicas de Si3N4 têm fracas propriedades dieléctricas (a constante dieléctrica é de 8,3, a perda dieléctrica é de 0,001~0,1) e um custo de produção elevado, o que limita a sua aplicação como substrato cerâmico encapsulado eletrónico.
Substrato cerâmico de SiC
As cerâmicas de SiC têm alta condutividade térmica, que varia de 100 w / (m-k) a 400W / (m-k) em alta temperatura, 13 vezes maior que o Al2O3. Bom desempenho anti-oxidação, temperatura de decomposição acima de 2500 ℃, na atmosfera de oxidação a 1600 ℃ ainda pode ser usado; Além disso, o isolamento elétrico é bom e o coeficiente de expansão térmica é menor do que Al2O3 e AlN. As cerâmicas de SiC têm fortes caraterísticas de ligação covalente e são difíceis de serem sinterizadas. Uma pequena quantidade de boro ou de óxido de alumínio é normalmente adicionada como SIDA de sinterização para melhorar a densidade. As experiências mostram que o berílio, o boro, o alumínio e os seus compostos são os aditivos mais eficazes, o que pode fazer com que a densidade das cerâmicas de SiC atinja mais de 98% .
No entanto, a constante dieléctrica do SiC é demasiado elevada, 4 vezes superior à do AlN, e a sua resistência à compressão é baixa, pelo que só é adequado para embalagens de baixa densidade, mas não para embalagens de alta densidade. Para além dos componentes de circuitos integrados, componentes de matrizes e díodos laser, etc., é também utilizado para peças estruturais com condutividade eléctrica.
Substrato cerâmico de BeO
O BeO é um óxido de metal alcalinoterroso com uma estrutura de wurtzite de apenas seis partes, porque o BeO tem uma estrutura de ligação covalente forte e de wurtzite, e a massa molecular relativa é baixa, pelo que tem uma elevada condutividade térmica, a alumina BeO é cerca de 10 vezes, a sua condutividade térmica à temperatura ambiente pode atingir 250 w/(m K), e a condutividade térmica do metal, e sob a alta temperatura, alta frequência, o seu desempenho elétrico, boa resistência ao calor, impacto resistente ao calor e estabilidade química delicada.
Embora o BeO tenha algumas boas propriedades, a sua desvantagem fatal é a extrema toxicidade do seu pó. A inalação prolongada de pó de BeO causa envenenamento ou mesmo risco de vida, e causa poluição ambiental, o que afecta grandemente a produção e aplicação do substrato cerâmico de BeO [5]. Para além disso, a produção de BeO é dispendiosa, o que limita a sua produção e aplicação. A sua utilização está limitada aos seguintes aspectos: dissipadores de calor de transístores de alta potência, dissipadores de calor de dispositivos semicondutores de alta frequência e alta potência, tubos de emissão, TWTS, tubos laser, klystron, etc. Os substratos cerâmicos BeO são por vezes utilizados na aviónica e nas comunicações por satélite devido à sua elevada condutividade térmica e às suas caraterísticas ideais de alta frequência.
Substrato cerâmico BN
O BN pode ser cristalizado em duas formas diferentes: hexagonal e cúbica. Entre eles, o cristal cúbico BN tem alta dureza e resistência a altas temperaturas de 1500 ~ 1600 ℃, o que é adequado para materiais superduros. O BN hexagonal pode manter alta estabilidade química e mecânica em temperaturas muito altas sob tratamento térmico correto. O material BN tem alta estabilidade térmica, estabilidade química e isolamento elétrico, enquanto isso, a condutividade térmica da cerâmica BN é igual à do aço inoxidável à temperatura ambiente, e a propriedade dielétrica é boa. BN tem melhor fragilidade do que a maioria das cerâmicas, menor coeficiente de expansão térmica, forte resistência ao choque térmico e pode suportar mudanças bruscas na diferença de temperatura acima de 1500 ℃.
Tanto o BN cúbico como o BN hexagonal são preparados a alta temperatura e alta pressão, sendo cristais típicos de ligação covalente. Devido à sua elevada condutividade térmica, a condutividade térmica quase não se altera com a temperatura, a pequena constante dieléctrica e o bom desempenho em termos de isolamento, o BN é aplicado em janelas de radar, bases de tubos de transístores de alta potência, cascas de tubos, dissipadores de calor e janelas de saída de micro-ondas. Mas o BN cúbico é demasiado caro para ser utilizado na produção de materiais cerâmicos de elevada condutividade térmica. O desfasamento entre o coeficiente de expansão térmica e o silício também limita a sua aplicação. .
