Características de classificação comuns: Guia completo

Existem muitos tipos de substratos para embalagens eletrónicas. Os substratos mais utilizados dividem-se, principalmente, em substratos de plástico, substratos metálicos e substratos cerâmicos. Os materiais de embalagem de plástico apresentam, normalmente, baixa condutividade térmica e pouca fiabilidade, não sendo adequados para aplicações com requisitos elevados. Os materiais de embalagem metálicos apresentam elevada condutividade térmica, mas o coeficiente de expansão térmica geral não é adequado. Além disso, 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 em termos de isolamento e elevada fiabilidade.

(2) Baixo coeficiente dielétrico, desempenho em altas frequências.

(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 aplicações nas áreas da aviação, aeroespacial e engenharia militar, exigindo elevada fiabilidade, alta frequência, resistência a altas temperaturas e estanqueidade do invólucro do produto. Os componentes eletrónicos com chips ultrapequenos são amplamente utilizados nos setores das comunicações móveis, informática, eletrodomésticos e eletrónica automóvel, entre outros. Além disso, os seus materiais de suporte são frequentemente encapsulados em substratos cerâmicos.

Atualmente, entre os materiais de substrato cerâmico mais utilizados no embalamento eletrónico contam-se alumina/”>alumina (Al₂O₃), nitreto de alumínio (AlN), nitreto de silício (Si₃N₄), carboneto de silício (SiC), nitreto de boro (BN), óxido de berílio (BeO).

Substrato de cerâmica Al2O3

A cerâmica de Al₂O₃ refere-se, em geral, ao Al₂O₃ como principal matéria-prima, constituída principalmente pela fase cristalina alfa do Al₂O₃, Com um teor de Al₂O₃ superior a 75% em todos os tipos de cerâmica, este material dispõe de fontes abundantes de matéria-prima, baixo custo, elevada resistência mecânica e dureza, bom desempenho de isolamento e boa resistência ao choque térmico, resistência à corrosão química, elevada precisão dimensional e a vantagem de uma boa aderência ao metal, sendo um dos materiais de substrato cerâmico com melhor desempenho global. O substrato cerâmico de Al₂O₃ é amplamente utilizado na indústria eletrónica, representando 90% da quantidade total de substratos cerâmicos. Tornou-se, assim, 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 é de a = 0,3110 nm e c = 0,4890 nm, no sistema hexagonal, baseado na unidade estrutural tetraédrica [AlN₄] de um composto de ligação covalente do tipo wurtzita, apresenta boa condutividade térmica, um isolamento elétrico fiável, baixa constante dielétrica e baixa perda dielétrica, além de ser não tóxico. Combinando o coeficiente de expansão térmica do silício com uma série de outras características excelentes, é considerado uma nova geração de substratos semicondutores de alta integração e o material ideal para o encapsulamento de componentes eletrónicos. .

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 apresenta três estruturas cristalinas, nomeadamente a fase, a fase e a fase, sendo que a fase e a fase são as formas mais comuns do Si₃N₄. E todas elas são estruturas hexagonais. O Si₃N₄ possui muitas propriedades excelentes, tais como elevada dureza, alta resistência, baixo coeficiente de expansão térmica, baixo deslizamento a altas temperaturas, boa resistência à oxidação, bom desempenho contra a corrosão térmica e baixo coeficiente de atrito. A condutividade térmica teórica do nitreto de silício monocristalino atinge os 400 W/(m·K). E tem potencial para se tornar um substrato de elevada condutividade térmica. Além disso, o coeficiente de expansão térmica do Si₃N₄ é de cerca de 3,0×10⁻⁶ ℃. Este valor é bem compatível com o do Si, SiC, GaAs e outros materiais, tornando a cerâmica de Si₃N₄ um material de substrato muito atraente para dispositivos eletrónicos de elevada resistência e elevada condutividade térmica [4].

No entanto, as cerâmicas de Si₃N₄ apresentam propriedades dielétricas deficientes (a constante dielétrica é de 8,3 e a perda dielétrica situa-se entre 0,001 e 0,1) e um custo de produção elevado. Isto limita a sua aplicação como substrato cerâmico encapsulado para aplicações eletrónicas.

Substrato cerâmico de SiC

As cerâmicas de SiC apresentam elevada condutividade térmica. Esta varia entre 100 W/(m·K) e 400 W/(m·K) a altas temperaturas, sendo 13 vezes superior à do Al₂O₃. Apresentam um bom desempenho anti-oxidação, com uma temperatura de decomposição superior a 2500 ℃, podendo ainda ser utilizadas numa atmosfera oxidante a 1600 ℃. Além disso, o isolamento elétrico é bom. E o coeficiente de expansão térmica é inferior ao do Al₂O₃ e do AlN. As cerâmicas de SiC apresentam fortes características de ligação covalente e são difíceis de sinterizar. Normalmente, é adicionada uma pequena quantidade de boro ou óxido de alumínio como auxiliar de sinterização para melhorar a densidade. As experiências demonstram que o berílio, o boro, o alumínio e os seus compostos são os aditivos mais eficazes. Isto permite que a densidade das cerâmicas de SiC atinja mais de 98%. .

No entanto, a constante dielétrica do SiC é demasiado elevada, sendo 4 vezes superior à do AlN. Além disso, 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 de componentes de circuitos integrados, componentes de matrizes e díodos laser, entre outros, também é utilizado em peças estruturais com condutividade elétrica.

Substrato cerâmico de BeO

O BeO é um óxido de metal alcalino-terroso com uma estrutura de wurtzita de apenas seis partes, uma vez que o BeO apresenta uma estrutura de wurtzita e fortes ligações covalentes. Além disso, a massa molecular relativa é baixa, pelo que apresenta elevada condutividade térmica — cerca de 10 vezes superior à da alumina —, podendo a sua condutividade térmica à temperatura ambiente atingir os 250 W/(m·K). Além disso, a sua condutividade térmica é comparável à do metal. Em condições de alta temperatura e alta frequência, apresenta um bom desempenho elétrico, boa resistência ao calor, resistência ao impacto térmico e excelente estabilidade química.

Embora o BeO possua algumas propriedades positivas, a sua desvantagem fatal é a extrema toxicidade do seu pó. A inalação prolongada de poeira de BeO provoca intoxicação ou pode mesmo ser fatal. Além disso, causa poluição ambiental. Isto afeta significativamente a produção e a aplicação do substrato cerâmico de BeO [5]. Ademais, o BeO é dispendioso de produzir, o que limita a sua produção e aplicação. A sua utilização limita-se aos seguintes aspetos: 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 de laser, klystron, etc. Os substratos cerâmicos de BeO são, por vezes, utilizados na aviónica e nas comunicações por satélite devido à sua elevada condutividade térmica e às suas características ideais de alta frequência.

Substrato cerâmico BN

O BN pode ser cristalizado em duas formas diferentes: hexagonal e cúbica. Entre elas, o BN cristalino cúbico apresenta elevada dureza e resistência a altas temperaturas, entre 1500 e 1600 ℃. É adequado para materiais superduros. O BN hexagonal consegue manter uma elevada estabilidade química e mecânica a temperaturas muito elevadas, desde que seja submetido a um tratamento térmico adequado. O material BN apresenta elevada estabilidade térmica, estabilidade química e isolamento elétrico; ao mesmo tempo, a condutividade térmica da cerâmica de BN é igual à do aço inoxidável à temperatura ambiente. Além disso, as suas propriedades dielétricas são boas. O BN apresenta menor fragilidade do que a maioria das cerâmicas, um coeficiente de expansão térmica mais baixo e forte resistência ao choque térmico. Além disso, consegue suportar variações bruscas de temperatura superiores a 1500 ℃.

Tanto o BN cúbico como o BN hexagonal são obtidos em condições de alta temperatura e alta pressão. Trata-se de cristais típicos com ligações covalentes. Devido à sua elevada condutividade térmica — que praticamente não varia com a temperatura —, à sua baixa constante dielétrica e ao seu bom desempenho de isolamento, o BN é utilizado em janelas de radar, bases de transístores de alta potência, invólucros de tubos, dissipadores de calor e janelas de saída de micro-ondas. No entanto, o BN cúbico é demasiado caro para ser utilizado na produção de materiais cerâmicos de elevada condutividade térmica. A incompatibilidade entre o seu coeficiente de expansão térmica e o do silício também limita a sua aplicação. .