Birçok çeşit elektronik ambalaj alt tabakası vardır ve yaygın olarak kullanılan alt tabakalar esas olarak plastik ambalaj alt tabakaları, metal ambalaj alt tabakaları ve seramik ambalaj alt tabakaları olarak ikiye ayrılır. Plastik ambalaj malzemeleri genellikle düşük ısı iletkenliğine ve zayıf güvenilirliğe sahiptir ve yüksek gereksinimler için uygun değildir. Metal ambalaj malzemeleri yüksek termal iletkenliğe sahiptir, ancak genel termal genleşme katsayısı eşleşmez ve fiyatı yüksektir.

Seramik alt tabakalar elektronik ambalajlamada yaygın olarak kullanılmaktadır. Plastik substratlar ve metal substratlarla karşılaştırıldığında, seramik substratlar aşağıdaki avantajlara sahiptir:

(1) iyi yalıtım performansı ve yüksek güvenilirlik;

(2) Düşük dielektrik katsayısı, yüksek frekans performansı;

(3) Düşük termal genleşme katsayısı ve yüksek termal iletkenlik;

(4) İyi hava sızdırmazlığı ve istikrarlı kimyasal performansı ile elektronik sistem için güçlü bir koruyucu rol oynar.

Bu nedenle, havacılık, uzay ve askeri mühendislik yüksek güvenilirlik, yüksek frekans, yüksek sıcaklık direnci, ürün ambalajının hava sızdırmazlığı için uygundur. Ultra küçük çipli elektronik bileşenler, mobil iletişim, bilgisayar, ev aletleri ve otomobil elektroniği vb. alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır ve taşıyıcı malzemeleri genellikle seramik alt tabakalarla kapsüllenir.

Şu anda, elektronik paketleme için yaygın olarak kullanılan birkaç seramik alt tabaka malzemesi arasında alümina (Al2O3), alüminyum nitrür (AlN), silikon nitrür (Si3N4), silikon karbür (SiC), bor nitrür (BN), berilyum oksit (BeO) bulunmaktadır.

Al2O3 seramik alt tabaka

Al2O3 seramikleri genellikle ana hammadde olarak Al2O3'ü ifade eder, esas olarak alfa Al2O3 kristal fazı, her türlü seramikte 75%'den fazla Al2O3 içeriği, zengin hammadde kaynakları, düşük maliyet, yüksek mekanik mukavemet ve sertlik, iyi yalıtım performansı ve iyi ısı şoku performansı, kimyasal korozyon direnci, yüksek boyutsal doğruluk, metal ile iyi yapışma avantajları, bir tür kapsamlı performans daha iyi seramik substrat malzemeleridir. Al2O3 seramik substrat, elektronik endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır, toplam seramik substrat miktarının 90%'sini oluşturmaktadır ve elektronik endüstrisi için vazgeçilmez bir malzeme haline gelmiştir.

Şu anda kullanılan Al2O3 seramik alt tabakalar çoğunlukla çok katmanlı alt tabakalardır. Al2O3 içeriği elektrik yalıtım performansını, termal iletkenliği ve darbe direncini artırır, ancak aynı zamanda sinterleme sıcaklığında ve üretim maliyetinde bir artışa yol açacaktır. Sinterleme sıcaklığını düşürmek ve Al2O3 seramik alt tabakaların mekanik ve elektriksel özelliklerini sağlamak için, sinterlemeyi teşvik etmek amacıyla genellikle B2O3, MgO, CaO, SiO2, TiO2, Nb2O5, Cr2O3, CuO, Y2O3, La2O3 ve Sm2O3 gibi belirli miktarda sinterleme AIDS'i eklenir.

Al2O3 seramik substrat büyük çıkış ve geniş uygulama alanına sahip olmasına rağmen, silikon tek kristal ile karşılaştırıldığında daha yüksek termal iletkenliği nedeniyle yüksek frekans, yüksek güç ve çok büyük ölçekli entegre devre kullanımında sınırlıdır.

AlN seramik substrat

AlN seramik substrat yeni bir substrat malzemesi türüdür, AlN kristallerinin kafes sabiti a = 0.3110 nm, c = 0.4890 nm, altıgen sistem, [AlN4] tetrahedron yapı birimine dayanan wurtzite kovalent bağ bileşiği, iyi termal iletkenlik, güvenilir bir elektrik yalıtımı, düşük dielektrik sabiti ve dielektrik kaybı, toksik olmayan ve silikon termal genleşme katsayısı ve benzeri bir dizi mükemmel özellik, yeni nesil yüksek entegrasyonlu yarı iletken substrat ve elektronik ambalaj malzemelerinin ideali olarak kabul edilir.

AlN seramiklerinin temel hammaddesi olan AlN tozunun hazırlanma süreci karmaşık, yüksek enerji tüketimi, uzun döngü ve pahalıdır. Yüksek maliyet, AlN seramiklerinin geniş uygulama alanını sınırlar, bu nedenle AlN seramik alt tabakaları çoğunlukla üst düzey endüstrilerde kullanılır.

Si3N4 seramik alt tabaka

Si3N4, faz, faz ve faz olmak üzere üç kristal yapıya sahiptir; bunlar arasında faz ve faz Si3N4'ün en yaygın biçimleridir ve hepsi altıgen yapılardır. Si3N4, büyük sertlik, yüksek mukavemet, küçük termal genleşme katsayısı, yüksek sıcaklıkta küçük sürünme, iyi oksidasyon direnci, iyi termal korozyon performansı ve küçük sürtünme katsayısı gibi birçok mükemmel özelliğe sahiptir. Monokristal silisyum nitrürün teorik termal iletkenliği 400W/(m-K)'ye kadar çıkmaktadır ve yüksek termal iletkenliğe sahip bir substrat olma potansiyeline sahiptir. Ek olarak, Si3N4'ün termal genleşme katsayısı yaklaşık 3.0 × 10-6 ℃ olup Si, SiC, GaAs ve diğer malzemelerle iyi bir şekilde eşleşir ve Si3N4 seramikleri yüksek mukavemetli ve yüksek termal iletkenliğe sahip elektronik cihazlar için çok çekici bir alt tabaka malzemesi haline getirir [4].

Bununla birlikte, Si3N4 seramikleri zayıf dielektrik özelliklere (dielektrik sabiti 8.3, dielektrik kaybı 0.001 ~ 0.1) ve yüksek üretim maliyetine sahiptir, bu da elektronik kapsüllenmiş seramik substrat olarak uygulanmasını sınırlar.

SiC seramik alt tabaka

SiC seramikler, yüksek sıcaklıkta 100 w / (m-k) ila 400W / (m-k) arasında değişen ve Al2O3'ten 13 kat daha yüksek olan yüksek termal iletkenliğe sahiptir. İyi anti-oksidasyon performansı, 2500 ℃ üzerindeki ayrışma sıcaklığı, 1600 ℃'deki oksidasyon atmosferinde hala kullanılabilir; Ayrıca, elektrik yalıtımı iyidir ve termal genleşme katsayısı Al2O3 ve AlN'den daha düşüktür. SiC seramikler güçlü kovalent bağ özelliklerine sahiptir ve sinterlenmesi zordur. Yoğunluğu artırmak için genellikle sinterleme AIDS'i olarak az miktarda bor veya alüminyum oksit eklenir. Deneyler, berilyum, bor, alüminyum ve bunların bileşiklerinin SiC seramiklerin yoğunluğunu 98%'den daha fazlasına ulaştırabilen en etkili katkı maddeleri olduğunu göstermektedir.

Bununla birlikte, SiC'nin dielektrik sabiti çok yüksektir, AlN'nin 4 katıdır ve basınç dayanımı düşüktür, bu nedenle yalnızca düşük yoğunluklu paketleme için uygundur, ancak yüksek yoğunluklu paketleme için uygun değildir. Entegre devre bileşenlerine, dizi bileşenlerine ve lazer diyotlara vb. ek olarak, elektrik iletkenliğine sahip yapısal parçalar için de kullanılır.

BeO seramik alt tabaka

BeO, sadece altı parti wurtzite yapısında alkali toprak metal oksitlerdir, çünkü BeO wurtzite ve güçlü kovalent bağ yapısına sahiptir ve bağıl moleküler kütle düşüktür, bu nedenle yüksek termal iletkenliğe sahiptir, BeO alümina yaklaşık 10 kattır, oda sıcaklığında termal iletkenliği 250 w / (m K) ve metalin termal iletkenliğine ulaşabilir ve yüksek sıcaklık, yüksek frekans, elektrik performansı, iyi ısı direnci, ısıya dayanıklı darbe ve hassas kimyasal stabilite altında.

BeO bazı iyi özelliklere sahip olmasına rağmen, ölümcül dezavantajı tozunun aşırı toksisitesidir. BeO tozunun uzun süreli solunması zehirlenmeye ve hatta hayati tehlikeye neden olacak ve BeO seramik alt tabakanın üretimini ve uygulamasını büyük ölçüde etkileyen çevre kirliliğine neden olacaktır [5]. Buna ek olarak, BeO'nun üretimi pahalıdır, bu da üretimini ve uygulamasını sınırlar. Kullanımı aşağıdaki hususlarla sınırlıdır: yüksek güçlü transistörlerin ısı alıcıları, yüksek frekanslı ve yüksek güçlü yarı iletken cihazların ısı alıcıları, emisyon tüpleri, TWTS, lazer tüpleri, klistron vb. BeO seramik alt tabakalar bazen yüksek termal iletkenlik ve ideal yüksek frekans özellikleri için aviyonik ve uydu iletişiminde kullanılır.

BN seramik alt tabaka

BN iki farklı biçimde kristalize edilebilir: altıgen ve kübik. Bunlar arasında, kübik kristal BN, süper sert malzemeler için uygun olan 1500 ~ 1600 ℃ yüksek sertliğe ve yüksek sıcaklık direncine sahiptir. Altıgen BN, doğru ısıl işlem altında çok yüksek sıcaklıkta yüksek kimyasal ve mekanik kararlılığı koruyabilir. BN malzemesi yüksek termal stabiliteye, kimyasal stabiliteye ve elektrik yalıtımına sahiptir, bu arada BN seramiklerinin termal iletkenliği oda sıcaklığında paslanmaz çeliğinkine eşittir ve dielektrik özelliği iyidir. BN, çoğu seramikten daha iyi kırılganlığa, daha küçük termal genleşme katsayısına, güçlü termal şok direncine sahiptir ve 1500 ℃ üzerindeki sıcaklık farkındaki keskin değişikliklere dayanabilir.

Hem kübik BN hem de altıgen BN, tipik kovalent bağ kristalleri olan yüksek sıcaklık ve yüksek basınç altında hazırlanır. Yüksek termal iletkenliği, termal iletkenliğin neredeyse sıcaklıkla değişmemesi, küçük dielektrik sabiti ve iyi yalıtım performansı nedeniyle BN, radar pencerelerine, yüksek güçlü transistörlerin tüp tabanlarına, tüp kabuklarına, ısı alıcılarına ve mikrodalga çıkış pencerelerine uygulanır. Ancak kübik BN, yüksek termal iletkenliğe sahip seramik malzemelerin üretiminde kullanılamayacak kadar pahalıdır. Termal genleşme katsayısı ve silikon arasındaki uyumsuzluk da uygulamasını sınırlar.