Ako všetci vieme, teplo generované prevádzkou polovodičových zariadení je kľúčovým faktorom, ktorý spôsobuje poruchu polovodičových zariadení a tepelná vodivosť elektrického izolačného substrátu je kľúčom k odvodu tepla z celkového polovodičového zariadenia. Okrem toho, vzhľadom na komplexné mechanické prostredie, ako sú nárazy a vibrácie, je potrebný aj podkladový materiál s určitou mechanickou spoľahlivosťou. Kremíkový nitrid keramika je vyváženejšia vo všetkých aspektoch a je konštrukčnými keramickými materiálmi s najlepším celkovým výkonom. Nitrid kremíka Si3N4 má preto silnú konkurencieschopnosť v oblasti výroby keramických substrátov pre elektrické elektronické zariadenia.
V minulosti bol obvodový substrát kombináciou samostatných komponentov alebo integrovaných obvodov a diskrétnych komponentov na vytvorenie plochého materiálu, ktorý spĺňa požiadavky celkovej funkcie obvodu. Vyžaduje len elektrickú izoláciu a vodivosť. Po vstupe do éry inteligentných informácií sú potrebné aj elektrické elektronické zariadenia, aby boli schopné konvertovať a ovládať elektrickú energiu, čo výrazne zlepšuje požiadavky na elektrické riadenie a výkon konverzie výkonu a prevádzkovú spotrebu energie zariadení. Podobne bežné substráty už nemôžu spĺňať vysoké požiadavky na zníženie tepelného odporu komplexných výkonových zariadení, reguláciu prevádzkovej teploty a zabezpečenie spoľahlivosti, musí sa vymeniť substrát s lepším výkonom a objavil sa nový typ výkonového keramického substrátu.
Na základe výkonnostných požiadaviek elektronických zariadení na keramické substráty by mal mať podkladový materiál tieto vlastnosti:
1. Dobrá izolácia a odolnosť voči elektrickej poruche;
2. Vysoká tepelná vodivosť: tepelná vodivosť priamo ovplyvňuje prevádzkové podmienky a životnosť polovodičov a nerovnomerné rozloženie teplotného poľa spôsobené zlým odvodom tepla tiež výrazne zvýši hluk elektronických zariadení;
3. Koeficient tepelnej rozťažnosti sa zhoduje s inými materiálmi použitými v obale;
4. Dobré vysokofrekvenčné charakteristiky: nízka dielektrická konštanta a nízka dielektrická strata;
5. Povrch je hladký a hrúbka je jednotná: je vhodné vytlačiť obvod na povrch substrátu a zabezpečiť jednotnú hrúbku tlačeného obvodu.
V súčasnosti sú najpoužívanejšími keramickými substrátovými materiálmi hlavne al2O3 oxid hlinitý a nitrid hliníka AlN. Ako sa nitrid kremíka porovnáva s ich výkonnosťou? Nasledujúca tabuľka je základným porovnaním výkonu troch keramických substrátov. Je zrejmé, že keramické materiály nitridu kremíka majú zjavné výhody, najmä vysokú tepelnú odolnosť keramických materiálov nitridu kremíka pri vysokých teplotných podmienkach, chemickú inertnosť voči kovom a ultravysoké mechanické vlastnosti, ako je tvrdosť a odolnosť voči zlomeninám.
položka | jednotka | Si3N4 (Si3N4) | AlN (AlN) | Al2O3 (Al2O3) |
Pevnosť v ohýbaní | Mpa | 600 | 350 | 400 |
Húževnatosť zlomenín | Mpa·m1/2 | 6.0 | 2.7 | 3.0 |
Tepelná vodivosť | W/m.K | 80 | 180 | 25 |
Aktuálna nosnosť | A | >300 EUR | 100-300 | <> |
Tepelný odpor | °C/W | <> (0,5 mm Cu) | <> (0,3 mm Cu) | >1.0 (0,3 mm Cu) |
Spoľahlivosť* | Čas | >5 000 EUR | 200 | 300 |
stáť | - | vysoký | vysoký | nízky |
* Test spoľahlivosti je počet prípadov, keď materiál nie je poškodený za stavu -40 stupňov Celzia až 150 stupňov Celzia.
Keďže nitrid kremíka je taký vynikajúci, prečo je stále menej aplikácie na trhu a kde sú jeho možnosti rozvoja? V skutočnosti majú tieto tri materiály svoje vlastné výhody a nevýhody. Napríklad, hoci má oxid hlinivý slabú tepelnú vodivosť a nedokáže držať krok s vývojovým trendom vysokovýkonných polovodičov, jeho výrobný proces je zrelý a nízkonákladový a stále existuje veľký dopyt v oblastiach s nízkou a stredovou polohou. Nitrid hliníka má najlepšiu tepelnú vodivosť a má dobrú zhodu s polovodičovými materiálmi. Môže byť použitý v high-end priemysle, ale mechanické vlastnosti sú zlé, čo ovplyvňuje životnosť polovodičových zariadení a má vyššie náklady na použitie. Nitrid kremíka má najlepší výkon z hľadiska celkového výkonu, ale vstupná bariéra je vysoká. V súčasnosti mnoho domácich výskumných ústavov a podnikov v Číne študuje, ale technológia je ťažká, výrobné náklady sú vysoké a trh je malý, takže sa ešte neobjavili rozsiahle aplikácie. To je dôvod, prečo mnohé spoločnosti stále čakajú na to, aby videli, a ešte sa rozhodli zvýšiť investície. Situácia je však teraz iná, pretože svet vstúpil do kritického obdobia pre vývoj tretej generácie polovodičov. Substráty kremíkových nitridových keramických obvodov dozrievajú v Spojených štátoch a Japonsku. Čína má pred sebou v tejto oblasti ešte dlhú cestu. Je tu spôsob, ako ísť. S rozvojom technológií a nárastom dopytu na trhu UNIPRETEC verí, že bude možné dosiahnuť stále viac a viac výsledkov.
