세라믹 기판의 재료 및 특성

기술의 발전 및 개발로 인해 장치의 운영 전류, 작업 온도 및 주파수가 점차 증가하고 있습니다. 장치 및 회로의 신뢰성을 충족시키기 위해 칩 캐리어에 대한 더 높은 요구 사항이 제시되었습니다. 세라믹 기판은 우수한 열 특성, 마이크로파 특성, 기계적 특성 및 높은 신뢰성으로 인해 이러한 필드에서 널리 사용됩니다.

현재, 세라믹 기질에 사용되는 주요 세라믹 재료는 알루미나 (AL2O3), 알루미늄 질화물 (ALN), 실리콘 질화물 (SI3N4), 실리콘 카바이드 (SIC) 및 베릴륨 산화물 (BEO)이다.

재료 _	순도	열전도도 (w/km)	상대 전기 상수	파괴 필드 강도 (kv/mm^(-1)	) 간단한 통신
al2o3	99%	29	9.7	10	최고의 비용 성능, 훨씬 더 넓은 응용 분야
ALN	99%	150	8.9	15	높은 성능, 그러나 더 높은 비용
BEO	99%	310	6.4	10	독성이 높은 분말 ,
SI3N4	99%	106	9.4	100	최적의 전반적인 성능
SIC	99%	270	40	0.7	저주파 애플리케이션에만 적합합니다.

다음과 같이 기판에 대한이 5 가지 고급 세라믹의 간단한 특성을 살펴 보겠습니다.

1. 알루미나 (AL2O3)

Al2O3 균질 한 다결정은 10 가지 이상에 도달 할 수 있으며, 주요 결정 유형은 다음과 같습니다 : α-AL2O3, β-AL2O3, γ-AL2O3 및 ZTA-AL2O3. 그 중에서, α-Al2O3은 활성이 가장 낮고 4 개의 주요 결정 형태 중에서 가장 안정적이며, 단위 세포는 육각형 결정 시스템에 속하는 뾰족한 롬보 헤드론이다. α-al2O3 구조는 단단하고, 코런덤 구조는 모든 온도에서 안정적으로 존재할 수있다. 온도가 1000 ~ 1600 ° C에 도달하면 다른 변이체는 비가 역적으로 α-al2O3로 변환됩니다.

도 1 : SEM 하에서 Al2O3의 결정 미세 투과

Al2O3 질량 분율이 증가하고 상응하는 유리 위상 질량 분율의 감소에 따라, Al2O3 세라믹의 열 전도도는 빠르게 상승하고 Al2O3 질량 분획이 99%에 도달하면 질량 분율이있는 것과 비교하여 열전도율이 두 배가됩니다. 90%.

AL2O3의 질량 분율을 증가 시키면 세라믹의 전반적인 성능을 향상시킬 수 있지만, 세라믹의 소결 온도를 증가시켜 간접적으로 생산 비용이 증가합니다.

2. 자질 알루미늄 (ALN)

ALN은 wurtzite 구조를 갖는 일종의 그룹 ⅲ -V 화합물입니다. 이들의 단위 셀은 Aln4 사면체이며, 이는 육각 결정 시스템에 속하며 강한 공유 결합을 갖기 때문에 우수한 기계적 특성과 높은 굽힘 강도를 갖는다. 이론적으로 결정 밀도는 3.2611g/cm3이므로 열전도율이 높고 순수한 ALN 결정의 열전도율은 실온에서 320W/(m · k)의 열전도율을 갖습니다. 기판은 150W/(m · k)에 도달 할 수 있으며, 이는 AL2O3의 5 배 이상입니다. 열 팽창 계수는 3.8 × 10-6 ~ 4.4 × 10-6/℃이며, Si, SIC 및 GAA와 같은 반도체 칩 재료의 열 팽창 계수와 잘 일치합니다.

그림 2 : 질화증 알루미늄 분말

ALN 세라믹은 AL2O3 세라믹보다 열 전도도가 높으며, 이는 고전력 전자 장치 및 고열 전도가 필요한 기타 장치의 AL2O3 세라믹을 점차적으로 대체하며 광범위한 응용 전망이 있습니다. ALN 세라믹은 또한 낮은 2 차 전자 방출 계수로 인해 전력 진공 전자 장치의 에너지 전달 윈도우에 선호되는 재료로 간주됩니다.

3. 질화 실리콘 (SI3N4)

SI3N4는 3 개의 결정 구조를 갖는 공유 결합 화합물의 α-SI3N4, β-SI3N4 및 γ-SI3N4이다. 그 중에서, α-SI3N4 및 β-SI3N4는 육각형 구조를 가진 가장 일반적인 결정 형태이다. 단결정 SI3N4의 열 전도도는 400W/(m · k)에 도달 할 수 있습니다. 그러나 포논 열 전달로 인해 실제 격자의 공석 및 탈구와 같은 격자 결함이 있으며, 불순물은 포논 산란이 증가하여 실제 발사 세라믹의 열전도율은 약 20W/(m · k)입니다. . 비율 및 소결 공정을 최적화함으로써, 열 전도도는 106W/(M · K)에 도달했다. SI3N4의 열 팽창 계수는 약 3.0 × 10-6/ C이며, 이는 Si, SIC 및 GAAS 재료와 잘 일치하여 SI3N4 세라믹을 높은 열전도율 전자 장치를위한 매력적인 세라믹 기판 재료로 만듭니다.

그림 3 : 질화 실리콘 분말

기존 세라믹 기판 중에서, SI3N4 세라믹 기판은 높은 경도, 높은 기계적 강도, 고온 저항 및 열 안정성, 낮은 유전 상수 및 유전체 손실, 내마모성 및 부식성과 같은 우수한 특성을 가진 최고의 세라믹 재료로 간주됩니다. 현재, IGBT 모듈 포장에서 선호되며 점차 AL2O3 및 ALN 세라믹 기판을 대체합니다.

4. 실리콘 카바이드 (sic)

단결정 SIC는 3 세대 반도체 재료로 알려져 있으며, 이는 큰 밴드 갭, 높은 분해 전압, 높은 열전도율 및 높은 전자 포화 속도의 장점을 갖는다.

소량의 BEO 및 B2O3을 SIC에 추가하여 저항력을 높이고, Hot Pressing Sintering을 사용하여 1900 ° 이상의 온도에 해당 소결 첨가제를 추가함으로써 SIC 세라믹의 98% 이상의 밀도를 준비 할 수 있습니다. 상이한 소결 방법 및 첨가제에 의해 제조 된 상이한 순도를 갖는 SIC 세라믹의 열 전도도는 실온에서 100 ~ 490W/(M · K)이다. SIC 세라믹의 유전 상수는 매우 크기 때문에 저주파 응용 분야에만 적합하며 고주파 응용 분야에 적합하지 않습니다.

5. 베릴리아 (Beo)

Beo는 Wurtzite 구조이고 세포는 입방 결정 시스템입니다. 열전도율은 매우 높고 BEO 질량 분획 99% BEO 세라믹, 실온에서 열 전도도 (열 전도도)는 동일한 순도 AL2O3 도자기의 열 전도도의 약 10 배에 도달 할 수 있습니다. 열 전달 용량이 매우 높을뿐만 아니라 유전 상수가 낮고 유전체 손실 및 높은 절연 및 기계적 특성을 가지며, BEO 세라믹은 높은 열 전도도가 필요한 고전력 장치 및 회로의 적용에 선호되는 재료입니다.

그림 5 : 베릴리아의 결정 구조

BEO의 높은 열전도율과 낮은 손실 특성은 다른 세라믹 재료와 훨씬 타의 추종을 불허하지만 BEO는 매우 명백한 단점을 가지고 있으며 분말은 매우 독성이 있습니다.

현재, 중국에서 일반적으로 사용되는 세라믹 기질 물질은 주로 Al2O3, ALN 및 SI3N4입니다. LTCC 기술에 의해 만들어진 세라믹 기판은 3 차원 구조에서 저항, 커패시터 및 인덕터와 같은 수동 성분을 통합 할 수 있습니다. 주로 활성 장치 인 반도체의 통합과 달리 LTCC는 고밀도 3D 상호 연결 배선 기능을 갖습니다.