Jak wszyscy wiemy, ciepło generowane przez działanie urządzeń półprzewodnikowych jest kluczowym czynnikiem powodującym awarię urządzeń półprzewodnikowych, a przewodność cieplna podłoża elektroizolacyjnego jest kluczem do rozpraszania ciepła całego urządzenia półprzewodnikowego. Ponadto ze względu na złożone środowisko mechaniczne, takie jak uderzenia i wibracje, wymagany jest również materiał podłoża o pewnej niezawodności mechanicznej. Ceramika z azotku krzemu jest bardziej zrównoważona we wszystkich aspektach i jest strukturalnymi materiałami ceramicznymi o najlepszych parametrach ogólnych. Dlatego azotek krzemu Si3N4 ma silną konkurencyjność w dziedzinie produkcji podłoży ceramicznych do urządzeń energoelektronicznych.
W przeszłości podłoże obwodu było kombinacją oddzielnych komponentów lub układów scalonych i dyskretnych komponentów, tworząc płaski materiał, który spełnia wymagania funkcji całego obwodu. Wymaga jedynie izolacji elektrycznej i przewodności. Po wejściu w erę inteligentnych informacji od urządzeń energoelektronicznych wymaga się również, aby były w stanie przetwarzać i kontrolować energię elektryczną, co znacznie poprawia wymagania dotyczące wydajności sterowania elektrycznego i konwersji energii oraz poboru mocy operacyjnej urządzeń. W związku z tym zwykłe podłoża nie są już w stanie sprostać wysokim wymaganiom zmniejszania odporności termicznej złożonych urządzeń zasilających, kontrolowania temperatury pracy i zapewnienia niezawodności, należy wymienić podłoże o lepszej wydajności i pojawił się nowy rodzaj podłoża ceramiki energetycznej.
W oparciu o wymagania eksploatacyjne urządzeń elektronicznych do podłoży ceramicznych, materiał podłoża powinien mieć następujące właściwości:
1. Dobra izolacja i odporność na przebicie elektryczne;
2. Wysoka przewodność cieplna: przewodność cieplna bezpośrednio wpływa na warunki pracy i żywotność półprzewodników, a nierównomierny rozkład pola temperatury spowodowany słabym rozpraszaniem ciepła również znacznie zwiększy hałas urządzeń elektronicznych;
3. Współczynnik rozszerzalności cieplnej pasuje do innych materiałów użytych w opakowaniu;
4. Dobra charakterystyka wysokiej częstotliwości: niska stała dielektryczna i niska strata dielektryczna;
5. Powierzchnia jest gładka, a grubość jednolita: wygodnie jest wydrukować obwód na powierzchni podłoża i zapewnić równomierną grubość obwodu drukowanego.
Obecnie najczęściej stosowanymi materiałami ceramicznymi na podłoża są głównie tlenek glinu Al2O3 i azotek glinu AlN. Jak wypada azotek krzemu w porównaniu z ich wydajnością? Poniższa tabela zawiera podstawowe porównanie wydajności trzech podłoży ceramicznych. Można zauważyć, że materiały ceramiczne z azotku krzemu mają oczywiste zalety, zwłaszcza odporność na wysoką temperaturę materiałów ceramicznych z azotku krzemu w warunkach wysokiej temperatury, obojętność chemiczną na metale i bardzo wysokie właściwości mechaniczne, takie jak twardość i odporność na pękanie.
PRZEDMIOT | JEDNOSTKA | Si3N4 | AlN | Al2O3 |
Siła wyginania | Mpa | 600 | 350 | 400 |
Wytrzymałość na złamanie | Mpa·m1/2 | 6.0 | 2.7 | 3.0 |
Przewodność cieplna | W/m.K | 80 | 180 | 25 |
Aktualna nośność | A | & g;300 | 100-300 | & lt;100 |
Odporność termiczna | ℃/W | & lt;0,5 (0,5 mm Cu) | & lt;0,5 (0,3 mm Cu) | & g;1,0 (0,3 mm Cu) |
Niezawodność* | Czas | & gt;5000 | 200 | 300 |
Koszt | - | Wysoka | Wysoka | Niski |
* Test niezawodności to ile razy materiał nie uległ uszkodzeniu w warunkach od -40 stopni Celsjusza do 150 stopni Celsjusza.
Skoro azotek krzemu jest tak doskonały, dlaczego wciąż ma mniejsze zastosowanie na rynku i jakie są możliwości jego rozwoju? W rzeczywistości te trzy materiały mają swoje zalety i wady. Na przykład, chociaż tlenek glinu ma słabą przewodność cieplną i nie nadąża za trendem rozwoju półprzewodników dużej mocy, jego proces produkcyjny jest dojrzały i tani, i nadal istnieje duże zapotrzebowanie w dziedzinie niskich i średnich zakresów . Azotek aluminium ma najlepszą przewodność cieplną i dobrze pasuje do materiałów półprzewodnikowych. Może być stosowany w branżach wysokiej klasy, ale właściwości mechaniczne są słabe, co wpływa na żywotność urządzeń półprzewodnikowych i ma wyższy koszt użytkowania. Azotek krzemu ma najlepsze wyniki pod względem ogólnej wydajności, ale bariera wejścia jest wysoka. Obecnie studiuje wiele krajowych instytutów badawczych i przedsiębiorstw w Chinach, ale technologia jest trudna, koszty produkcji są wysokie, a rynek jest mały, więc aplikacje na dużą skalę jeszcze się nie pojawiły. To jest powód, dla którego wiele firm wciąż czeka i nie zdecydowało się na zwiększenie inwestycji. Jednak sytuacja jest teraz inna, ponieważ świat wszedł w krytyczny okres dla rozwoju trzeciej generacji półprzewodników. Podłoża ceramiczne z azotku krzemu mają dojrzałe produkty w Stanach Zjednoczonych i Japonii. Chiny mają przed sobą długą drogę w tej dziedzinie. Jest droga do zrobienia. Wraz z rozwojem technologii i wzrostem popytu na rynku, UNIPRETEC wierzy, że będzie coraz więcej wyników, które można pokazać.
