セラミック基質の材料と特性

テクノロジーの進歩と開発により、デバイスの動作電流、作業温度、頻度が徐々に高くなっています。デバイスとサーキットの信頼性を満たすために、チップキャリアにはより高い要件が提案されています。セラミック基質は、これらのフィールドで広く使用されています。これは、優れた熱特性、マイクロ波特性、機械的特性、高い信頼性のためです。

現在、セラミック基質で使用されている主なセラミック材料は、アルミナ（Al2O3）、窒化アルミニウム（ALN）、窒化シリコン（SI3N4）、炭化シリコン（SIC）、酸化ベリリウム（BEO）です。

はるか

材料_	純度	熱伝導率 （w/km）	相対的な電気的一定の	破壊的なフィールド強度 （kV/mm^（ - 1））	短いcomme nt s
al2o3	99％	29	9.7	10	ベストコストパフォーマンス、
に広いアプリケーション
ALN	99％	150	8.9	15	高いパフォーマンス、 しかし、より高いコスト
Beo	99％	310	6.4	10	毒性の高い粉末 、
SI3N4	99％	106	9.4	100	最適な総合パフォーマンス
SIC	99％	270	40	0.7	低周波アプリケーションにのみ適合します

次のように、これら5つの高度なセラミックの基質の簡単な特性を見てみましょう。

1.アルミナ（AL2O3）

Al2O3均質多結晶は10種類以上に達する可能性があり、主な結晶タイプは次のとおりです：α-AL2O3、β-AL2O3、γ-AL2O3およびZTA-AL2O3。その中で、α-AL2O3は最も低い活性を持ち、4つの主要な結晶型の中で最も安定しており、その単位セルは六角形の結晶系に属する尖った菱面体です。 α-AL2O3構造は緊密で、corundum構造は、あらゆる温度で安定して存在する可能性があります。温度が1000〜1600°Cに達すると、他のバリアントは不可逆的にα-AL2O3に変換されます。

図1：SEM下でのAl2O3の結晶微細句

Al2O3質量画分の増加と対応するガラス相質量画分の減少により、Al2O3セラミックの熱伝導率は急速に上昇し、Al2O3質量分率が99％に達すると、質量断片が倍率が2倍になります。 90％。

Al2O3の質量分率を増やすと、セラミックの全体的な性能が向上する可能性がありますが、セラミックの焼結温度も上昇し、間接的に生産コストの増加につながります。

2.窒化アルミニウム（ALN）

Alnは、Wurtzite構造を持つ一種のグループⅲ-V化合物です。その単位セルは、六角形の結晶系に属し、強力な共有結合を備えたAln4四面体であるため、優れた機械的特性と高い曲げ強度を備えています。理論的には、その結晶密度は3.2611g/cm3であるため、熱伝導率が高く、純粋なALN結晶は室温で320W/（m・k）の熱伝導率を持ち、熱感染した発射ALNの熱伝導率は基質は150W/（M・K）に達することができます。これは、Al2O3の5倍以上です。熱膨張係数は3.8×10-6〜4.4×10-6/℃であり、これはSI、SIC、GAASなどの半導体チップ材料の熱膨張係数とよく一致しています。

図2：窒化アルミニウムの粉末

ALNセラミックは、AL2O3セラミックよりも熱伝導率が高く、高出力電子機器や高熱伝導を必要とする他のデバイスのAl2O3セラミックを徐々に置き換え、幅広いアプリケーションの見通しを持っています。 ALNセラミックは、二次電子排出係数が低いため、電力真空電子デバイスのエネルギー送達ウィンドウの優先材料とも見なされます。

3.窒化シリコン（SI3N4）

Si3N4は、3つの結晶構造を持つ共有結合化合物のα-Si3N4、β-Si3N4、およびγ-Si3N4です。その中で、α-Si3n4およびβ-Si3n4は最も一般的な結晶形態であり、六角形構造があります。単結晶Si3N4の熱伝導率は400W/（M・K）に達することができます。しかし、その蓄熱の熱伝達により、実際の格子には空室や転位などの格子欠陥があり、不純物はフォノン散乱を増加させるため、実際の発射セラミックの熱伝導率は約20W/（M・k）です。 。割合と焼結プロセスを最適化することにより、熱伝導率は106W/（M・K）に達しました。 Si3N4の熱膨張係数は約3.0×10-6/ Cであり、SI、SIC、およびGAAS材料とよく一致しているため、SI3N4セラミックは高熱伝導率電子機器の魅力的なセラミック基質材料です。

図3：窒化シリコンの粉末

既存のセラミック基質の中で、Si3N4セラミック基質は、高硬度、高機械強度、高温抵抗と熱安定性、低誘電率、誘電体の損失、耐摩耗性、耐食性などの優れた特性を備えた最高のセラミック材料と見なされます。現在、IGBTモジュールパッケージで好まれており、Al2O3およびAlnセラミック基質を徐々に置き換えています。

4.シリコンカーバイド（原文）

単結晶SICは、第3世代の半導体材料として知られています。これは、大きなバンドギャップ、高い故障電圧、高い熱伝導率、高い電子飽和速度の利点があります。

少量のBEOとB2O3をSICに追加して抵抗率を向上させ、1900を超える温度に対応する焼結添加剤を加えて、熱いプレス焼結を使用して、SICセラミックの98％以上の密度を準備できます。異なる焼結方法と添加剤によって調製された異なる純度を持つSICセラミックの熱伝導率は、室温で100〜490W/（M・K）です。 SICセラミックの誘電率は非常に大きいため、低周波アプリケーションにのみ適しており、高周波アプリケーションには適していません。

5.ベリリア（beo）

BeoはWurtzite構造であり、セルは立方系結晶系です。その熱伝導率は非常に高く、室温で99％のBEO質量分数が99％BEOセラミックであり、その熱伝導率（熱伝導率）は310W/（m・k）に達することがあります。熱伝達能力が非常に高いだけでなく、誘電率と誘電損失が低く、断熱性と機械的特性が高いだけでなく、Beoセラミックは高出力デバイスと高熱伝導率を必要とする回路の適用において好ましい材料です。

図5：ベリリアの結晶構造

BEOの高い熱伝導率と低損失特性は、これまで他のセラミック材料と比類のないものですが、BEOには非常に明らかな欠点があり、その粉末は非常に毒性があります。

現在、中国で一般的に使用されるセラミック基質材料は、主にAl2O3、Aln、およびSi3N4です。 LTCCテクノロジーによって作成されたセラミック基板は、3次元構造の抵抗、コンデンサ、インダクタなどの受動的成分を統合できます。主にアクティブなデバイスである半導体の統合とは対照的に、LTCCには高密度3D相互接続配線機能があります。