સિરામિક સબસ્ટ્રેટ્સની સામગ્રી અને લાક્ષણિકતાઓ

તકનીકીની પ્રગતિ અને વિકાસ સાથે, operating પરેટિંગ વર્તમાન, કાર્યકારી તાપમાન અને ઉપકરણોમાં આવર્તન ધીમે ધીમે વધારે થઈ રહ્યું છે. ઉપકરણો અને સર્કિટ્સની વિશ્વસનીયતાને પહોંચી વળવા માટે, ચિપ કેરિયર્સ માટે ઉચ્ચ આવશ્યકતાઓ આગળ મૂકવામાં આવી છે. સિરામિક સબસ્ટ્રેટ્સનો ઉપયોગ આ ક્ષેત્રોમાં તેમના ઉત્તમ થર્મલ ગુણધર્મો, માઇક્રોવેવ ગુણધર્મો, યાંત્રિક ગુણધર્મો અને ઉચ્ચ વિશ્વસનીયતાને કારણે થાય છે.

હાલમાં, સિરામિક સબસ્ટ્રેટ્સમાં ઉપયોગમાં લેવામાં આવતી મુખ્ય સિરામિક સામગ્રી છે: એલ્યુમિના (એએલ 2 ઓ 3), એલ્યુમિનિયમ નાઇટ્રાઇડ (એએલએન), સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ (એસઆઈ 3 એન 4), સિલિકોન કાર્બાઇડ (એસઆઈસી) અને બેરીલિયમ ox કસાઈડ (બીઓ).

નો ઉપયોગ કરવાની મર્યાદા,

માંદું _	શુદ્ધ	થર્મલ વાહકતા .	_	_ _	_ _ _
_	_	_	_	_	_ ખૂબ વ્યાપક એપ્લિકેશનો
ALN	99%	150	8.9	15	ઉચ્ચ પ્રદર્શન, પરંતુ વધારે ખર્ચ
બીઓ	99%	310	6.4	10	પાવડર ખૂબ ઝેરી સાથે ,
SI3N4	99%	106	9.4	100	શ્રેષ્ઠ એકંદર પ્રદર્શન
SIC	99%	270	40	0.7	ફક્ત ઓછી-આવર્તન એપ્લિકેશનો માટે ફિટ

ચાલો નીચે મુજબ સબસ્ટ્રેટ્સ માટે આ 5 અદ્યતન સિરામિક્સની ટૂંકી લાક્ષણિકતાઓ જોઈએ:

1. એલ્યુમિના (અલ 2 ઓ 3)

AL2O3 હોમોજેનસ પોલિક્રિસ્ટલ્સ 10 કરતા વધુ પ્રકાર સુધી પહોંચી શકે છે, અને મુખ્ય સ્ફટિક પ્રકારો નીચે મુજબ છે: α- એએલ 2 ઓ 3, β- એએલ 2 ઓ 3, γ- એએલ 2 ઓ 3 અને ઝેડટીએ-એએલ 2 ઓ 3. તેમાંથી, α- એએલ 2 ઓ 3 ની સૌથી ઓછી પ્રવૃત્તિ છે અને તે ચાર મુખ્ય સ્ફટિક સ્વરૂપોમાં સૌથી વધુ સ્થિર છે, અને તેનો એકમ સેલ એક પોઇન્ટેડ રોમ્બોહેડ્રોન છે, જે ષટ્કોણ ક્રિસ્ટલ સિસ્ટમથી સંબંધિત છે. α- એએલ 2 ઓ 3 સ્ટ્રક્ચર ચુસ્ત, કોરન્ડમ સ્ટ્રક્ચર છે, તે બધા તાપમાનમાં સ્થિર રીતે અસ્તિત્વમાં હોઈ શકે છે; જ્યારે તાપમાન 1000 ~ 1600 ° સે સુધી પહોંચે છે, ત્યારે અન્ય પ્રકારો ઉલટાવી શકાય તે રીતે α- એએલ 2 ઓ 3 માં પરિવર્તિત થશે.

આકૃતિ 1: SEM હેઠળ AL2O3 નું ક્રિસ્ટલ માઇક્રોસ્ટ્ર્યુચર

AL2O3 સામૂહિક અપૂર્ણાંકમાં વધારો અને અનુરૂપ ગ્લાસ તબક્કાના માસ અપૂર્ણાંકના ઘટાડા સાથે, AL2O3 સિરામિક્સની થર્મલ વાહકતા ઝડપથી વધે છે, અને જ્યારે AL2O3 માસ અપૂર્ણાંક 99%સુધી પહોંચે છે, ત્યારે તેની થર્મલ વાહકતા બમણી થાય છે જ્યારે સામૂહિક અપૂર્ણાંક હોય છે 90%.

તેમ છતાં, એએલ 2 ઓ 3 ના સામૂહિક અપૂર્ણાંકમાં વધારો સિરામિક્સના એકંદર પ્રભાવમાં સુધારો કરી શકે છે, તે સિરામિક્સના સિંટરિંગ તાપમાનમાં પણ વધારો કરે છે, જે પરોક્ષ રીતે ઉત્પાદન ખર્ચમાં વધારો તરફ દોરી જાય છે.

2. એલ્યુમિનિયમ નાઇટ્રાઇડ (એએલએન)

એએલએન એ રર્ટઝાઇટ સ્ટ્રક્ચર સાથેનો એક પ્રકારનો જૂથ ⅲ-V સંયોજન છે. તેનો એકમ સેલ એએલએન 4 ટેટ્રેહેડ્રોન છે, જે ષટ્કોણ ક્રિસ્ટલ સિસ્ટમનો છે અને તેમાં મજબૂત સહસંયોજક બોન્ડ છે, તેથી તેમાં ઉત્તમ યાંત્રિક ગુણધર્મો અને ઉચ્ચ બેન્ડિંગ તાકાત છે. સૈદ્ધાંતિક રીતે, તેની સ્ફટિક ઘનતા 3.2611 ગ્રામ/સે.મી. સબસ્ટ્રેટ 150W/(M · K) સુધી પહોંચી શકે છે, જે AL2O3 કરતા 5 ગણા કરતા વધારે છે. થર્મલ વિસ્તરણ ગુણાંક 3.8 × 10-6 ~ 4.4 × 10-6/℃ છે, જે સી, એસઆઈ અને ગાએએસ જેવી સેમિકન્ડક્ટર ચિપ સામગ્રીના થર્મલ વિસ્તરણ ગુણાંક સાથે સારી રીતે મેળ ખાય છે.

આકૃતિ 2: એલ્યુમિનિયમ નાઇટ્રાઇડનો પાવડર

એએલએન સિરામિક્સમાં એએલ 2 ઓ 3 સિરામિક્સ કરતા વધુ થર્મલ વાહકતા હોય છે, જે ધીરે ધીરે ઉચ્ચ-પાવર પાવર ઇલેક્ટ્રોનિક્સ અને અન્ય ઉપકરણોમાં AL2 ઓ 3 સિરામિક્સને બદલે છે, જેમાં ઉચ્ચ ગરમી વહનની જરૂર હોય છે, અને તેમાં વ્યાપક એપ્લિકેશનની સંભાવના છે. એએલએન સિરામિક્સને તેમના નીચા ગૌણ ઇલેક્ટ્રોન ઉત્સર્જન ગુણાંકને કારણે પાવર વેક્યુમ ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણોની energy ર્જા ડિલિવરી વિંડો માટે પસંદ કરેલી સામગ્રી તરીકે પણ માનવામાં આવે છે.

3. સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ (si3n4)

એસઆઈ 3 એન 4 એ ત્રણ ક્રિસ્ટલ સ્ટ્રક્ચર્સ સાથેનું એક સહસંબંધિત બંધાયેલ સંયોજન છે: α-si3n4, β-si3n4, અને γ-si3n4. તેમાંથી, ષટ્કોણ બંધારણ સાથે, α-si3n4 અને β-si3n4 એ સૌથી સામાન્ય ક્રિસ્ટલ સ્વરૂપો છે. સિંગલ ક્રિસ્ટલ સી 3 એન 4 ની થર્મલ વાહકતા 400 ડબલ્યુ/(એમ · કે) સુધી પહોંચી શકે છે. જો કે, તેના ફોનોન હીટ ટ્રાન્સફરને કારણે, વાસ્તવિક જાળીમાં ખાલી જગ્યા અને અવ્યવસ્થા જેવી જાળી ખામી છે, અને અશુદ્ધિઓ ફોનોન સ્કેટરિંગને વધારવાનું કારણ બને છે, તેથી વાસ્તવિક ફાયર સિરામિક્સની થર્મલ વાહકતા ફક્ત 20 ડબ્લ્યુ/(એમ · કે) છે. . પ્રમાણ અને સિંટરિંગ પ્રક્રિયાને izing પ્ટિમાઇઝ કરીને, થર્મલ વાહકતા 106W/(M · K) પર પહોંચી છે. એસઆઈ 3 એન 4 નો થર્મલ વિસ્તરણ ગુણાંક લગભગ 3.0 × 10-6/ સે છે, જે એસઆઈ, એસઆઈસી અને ગાએ સામગ્રી સાથે સારી રીતે મેળ ખાય છે, જે ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણો માટે સી 3 એન 4 સિરામિક્સને આકર્ષક સિરામિક સબસ્ટ્રેટ સામગ્રી બનાવે છે.

આકૃતિ 3: સિલિકોન નાઇટ્રાઇડનો પાવડર

હાલના સિરામિક સબસ્ટ્રેટ્સમાં, એસઆઈ 3 એન 4 સિરામિક સબસ્ટ્રેટ્સને ઉચ્ચ કઠિનતા, ઉચ્ચ યાંત્રિક તાકાત, ઉચ્ચ તાપમાન પ્રતિકાર અને થર્મલ સ્થિરતા, નીચા ડાઇલેક્ટ્રિક સતત અને ડાઇલેક્ટ્રિક નુકસાન, વસ્ત્રો પ્રતિકાર અને કાટ પ્રતિકાર જેવા ઉત્તમ ગુણધર્મોવાળી શ્રેષ્ઠ સિરામિક સામગ્રી માનવામાં આવે છે. હાલમાં, તે આઇજીબીટી મોડ્યુલ પેકેજિંગમાં તરફેણ કરે છે અને ધીમે ધીમે એએલ 2 ઓ 3 અને એએલએન સિરામિક સબસ્ટ્રેટ્સને બદલે છે.

4. સિલિકોન કાર્બાઇડ (એસઆઈસી)

સિંગલ ક્રિસ્ટલ એસઆઈસી ત્રીજી પે generation ીના સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી તરીકે ઓળખાય છે, જેમાં મોટા બેન્ડ ગેપ, ઉચ્ચ બ્રેકડાઉન વોલ્ટેજ, ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા અને ઉચ્ચ ઇલેક્ટ્રોન સંતૃપ્તિ ગતિના ફાયદા છે.

તેની પ્રતિકારકતા વધારવા માટે બીઓ અને બી 2 ઓ 3 ની થોડી માત્રા ઉમેરીને, અને પછી 1900 થી ઉપરના તાપમાનમાં અનુરૂપ સિંટરિંગ એડિટિવ્સ ઉમેરીને, હોટ પ્રેસિંગ સિંટરિંગનો ઉપયોગ કરીને, તમે એસઆઈસી સિરામિક્સના 98% કરતા વધુની ઘનતા તૈયાર કરી શકો છો. ઓરડાના તાપમાને વિવિધ સિંટરિંગ પદ્ધતિઓ અને itive ડિટિવ્સ દ્વારા તૈયાર વિવિધ શુદ્ધતા સાથે એસઆઈસી સિરામિક્સની થર્મલ વાહકતા 100 ~ 490W/(M · K) છે. કારણ કે એસઆઈસી સિરામિક્સનો ડાઇલેક્ટ્રિક સતત ખૂબ મોટો છે, તે ફક્ત ઓછી-આવર્તન એપ્લિકેશનો માટે યોગ્ય છે, અને ઉચ્ચ-આવર્તન એપ્લિકેશનો માટે યોગ્ય નથી.

5. બેરિલિયા (બીઓ)

બીઓ એ રર્ટઝાઇટ સ્ટ્રક્ચર છે અને સેલ ક્યુબિક ક્રિસ્ટલ સિસ્ટમ છે. તેની થર્મલ વાહકતા ખૂબ high ંચી છે, બીઓ માસ અપૂર્ણાંક 99% બીઓ સિરામિક્સ, ઓરડાના તાપમાને, તેની થર્મલ વાહકતા (થર્મલ વાહકતા) એ સમાન શુદ્ધતા એએલ 2 ઓ 3 સિરામિક્સની થર્મલ વાહકતા કરતાં 10 ગણી 310 ડબલ્યુ/(એમ · કે) સુધી પહોંચી શકે છે. માત્ર ખૂબ heat ંચી ગરમી સ્થાનાંતરણ ક્ષમતા જ નથી, પરંતુ તેમાં ઓછી ડાઇલેક્ટ્રિક સતત અને ડાઇલેક્ટ્રિક ખોટ અને ઉચ્ચ ઇન્સ્યુલેશન અને યાંત્રિક ગુણધર્મો પણ છે, બીઓ સિરામિક્સ ઉચ્ચ-પાવર ઉપકરણો અને ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતાની આવશ્યકતાવાળા સર્કિટ્સના ઉપયોગમાં પસંદગીની સામગ્રી છે.

આકૃતિ 5: બેરિલિયાની ક્રિસ્ટલ સ્ટ્રક્ચર

બીઓની ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા અને ઓછી ખોટની લાક્ષણિકતાઓ અન્ય સિરામિક સામગ્રી દ્વારા અત્યાર સુધી મેળ ખાતી નથી, પરંતુ બીઓમાં ખૂબ સ્પષ્ટ ખામીઓ છે, અને તેનો પાવડર ખૂબ ઝેરી છે.

હાલમાં, ચીનમાં સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવામાં આવતી સિરામિક સબસ્ટ્રેટ સામગ્રી મુખ્યત્વે અલ 2 ઓ 3, એએલએન અને એસઆઈ 3 એન 4 છે. એલટીસીસી તકનીક દ્વારા બનાવવામાં આવેલ સિરામિક સબસ્ટ્રેટ ત્રિ-પરિમાણીય બંધારણમાં રેઝિસ્ટર, કેપેસિટર અને ઇન્ડક્ટર્સ જેવા નિષ્ક્રિય ઘટકોને એકીકૃત કરી શકે છે. સેમિકન્ડક્ટર્સના એકીકરણથી વિપરીત, જે મુખ્યત્વે સક્રિય ઉપકરણો છે, એલટીસીસીમાં ઉચ્ચ-ઘનતા 3 ડી ઇન્ટરકનેક્ટ વાયરિંગ ક્ષમતાઓ છે.