วัสดุและลักษณะของสารตั้งต้นเซรามิก

ด้วยความคืบหน้าและการพัฒนาเทคโนโลยีกระแสการทำงานอุณหภูมิการทำงานและความถี่ในอุปกรณ์ค่อยๆสูงขึ้นเรื่อย ๆ เพื่อให้เป็นไปตามความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์และวงจรความต้องการที่สูงขึ้นได้ถูกนำเสนอสำหรับผู้ให้บริการชิป พื้นผิวเซรามิกถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาเหล่านี้เนื่องจากคุณสมบัติความร้อนที่ยอดเยี่ยมคุณสมบัติไมโครเวฟคุณสมบัติเชิงกลและความน่าเชื่อถือสูง

ในปัจจุบันวัสดุเซรามิกหลักที่ใช้ในพื้นผิวเซรามิกคือ: อลูมินา (Al2O3), อลูมิเนียมไนไตรด์ (Aln), ซิลิกอนไนไตรด์ (SI3N4), ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SIC) และ เบริลเลียมออกไซด์ (Beo)

ความเข้ม

วัสดุ _		การนำความร้อน	ด้วยความบริสุทธิ์	(w/km)	ของสนาม	คงที่ความเข้มข้นของสนามคงที่ (kv/mm^(-1))	สั้น ๆ comme nt s
al2o3	99%	29	9.7	10	ประสิทธิภาพต้นทุนที่ดีที่สุด แอปพลิเคชันที่กว้างขึ้นมาก
Aln	99%	150	8.9	15	ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น แต่ค่าใช้จ่ายสูงกว่า
beo	99%	310	6.4	10	ผงที่มีพิษสูง จำกัด ในการใช้
SI3N4	99%	106	9.4	100	ประสิทธิภาพโดยรวมที่ดีที่สุด
SIC	99%	270	40 40	0.7	เหมาะสำหรับการใช้งานความถี่ต่ำเท่านั้น

มาดูลักษณะสั้น ๆ ของ 5 เซรามิกขั้นสูงสำหรับพื้นผิวดังต่อไปนี้:

1. อลูมินา (Al2O3)

polycrystal homogenous ของ Al2O3 สามารถเข้าถึงได้มากกว่า 10 ชนิดและผลึกหลักมีดังนี้: α-Al2O3, β-Al2O3, γ-Al2O3 และ ZTA-Al2O3 ในหมู่พวกเขาα-Al2O3 มีกิจกรรมต่ำสุดและมีความเสถียรที่สุดในรูปแบบคริสตัลหลักสี่รูปแบบและเซลล์หน่วยของมันคือ rhombohedron แหลมซึ่งเป็นของระบบคริสตัลหกเหลี่ยม โครงสร้างα-Al2O3 นั้นแน่นโครงสร้าง corundum สามารถอยู่ได้อย่างเสถียรในทุกอุณหภูมิ เมื่ออุณหภูมิสูงถึง 1,000 ~ 1600 ° C ตัวแปรอื่น ๆ จะเปลี่ยนเป็นα-Al2O3 อย่างถาวร

รูปที่ 1: Crystal microstruture ของ Al2O3 ภายใต้ SEM

ด้วยการเพิ่มขึ้นของสัดส่วนมวล Al2O3 และการลดลงของเศษส่วนมวลเฟสแก้วที่สอดคล้องกันค่าการนำความร้อนของเซรามิก Al2O3 จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและเมื่อส่วนมวล AL2O3 ถึง 99%การนำความร้อนจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าเมื่อเทียบกับ 90%

แม้ว่าการเพิ่มสัดส่วนมวลของ AL2O3 สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของเซรามิก แต่ก็เพิ่มอุณหภูมิการเผาเซรามิกซึ่งนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของต้นทุนการผลิต

2. อลูมิเนียมไนไตรด์ (Aln)

Aln เป็นสารประกอบกลุ่มⅲ-V ที่มีโครงสร้าง wurtzite เซลล์หน่วยของมันคือ ALN4 tetrahedron ซึ่งเป็นของระบบคริสตัลหกเหลี่ยมและมีพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแกร่งดังนั้นจึงมีคุณสมบัติเชิงกลที่ยอดเยี่ยมและความแข็งแรงในการดัดสูง ในทางทฤษฎีความหนาแน่นของคริสตัลคือ 3.2611g/cm3 ดังนั้นจึงมีค่าการนำความร้อนสูงและคริสตัล ALN บริสุทธิ์มีค่าการนำความร้อน 320W/(m · k) ที่อุณหภูมิห้อง สารตั้งต้นสามารถเข้าถึง 150W/(M · K) ซึ่งมากกว่า 5 เท่าของ Al2O3 ค่าสัมประสิทธิ์การขยายความร้อนคือ 3.8 × 10-6 ~ 4.4 × 10-6/℃ซึ่งเข้ากันได้ดีกับค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของวัสดุชิปเซมิคอนดักเตอร์เช่น SI, SIC และ GAAS

รูปที่ 2: ผงอลูมิเนียมไนไตรด์

เซรามิก Aln มีค่าการนำความร้อนสูงกว่าเซรามิก Al2O3 ซึ่งค่อยๆแทนที่เซรามิก Al2O3 ในอิเล็กทรอนิกส์พลังงานกำลังสูงและอุปกรณ์อื่น ๆ ที่ต้องใช้ความร้อนสูงและมีโอกาสในการใช้งานในวงกว้าง เซรามิก Aln ยังได้รับการพิจารณาว่าเป็นวัสดุที่ต้องการสำหรับหน้าต่างส่งพลังงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สูญญากาศพลังงานเนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การปล่อยอิเล็กตรอนรองต่ำ

3. ซิลิคอนไนไตรด์ (SI3N4)

SI3N4 เป็นสารประกอบที่ถูกผูกมัดแบบโควาเลนต์ที่มีโครงสร้างผลึกสามโครงสร้าง: α-SI3N4, β-SI3N4 และγ-SI3N4 ในหมู่พวกเขาα-SI3N4 และβ-SI3N4 เป็นรูปแบบคริสตัลที่พบมากที่สุดโดยมีโครงสร้างหกเหลี่ยม ค่าการนำความร้อนของผลึกเดี่ยว SI3N4 สามารถเข้าถึง 400W/(M · K) อย่างไรก็ตามเนื่องจากการถ่ายเทความร้อนโฟนอนมีข้อบกพร่องของตาข่ายเช่นตำแหน่งว่างและความคลาดเคลื่อนในโครงตาข่ายจริงและสิ่งสกปรกทำให้เกิดการกระเจิงของฟอนนอนเพิ่มขึ้น . โดยการเพิ่มประสิทธิภาพสัดส่วนและกระบวนการเผาเครื่องใช้ความร้อนได้ถึง 106W/(M · K) ค่าสัมประสิทธิ์การขยายความร้อนของ SI3N4 อยู่ที่ประมาณ 3.0 × 10-6/ C ซึ่งเข้ากันได้ดีกับวัสดุ SI, SIC และ GAAS ทำให้เซรามิก SI3N4 เป็นวัสดุพื้นผิวเซรามิกที่น่าสนใจสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ความร้อนสูง

รูปที่ 3: ผงซิลิกอนไนไตรด์

ในบรรดาสารตั้งต้นเซรามิกที่มีอยู่พื้นผิวเซรามิก SI3N4 ได้รับการพิจารณาว่าเป็นวัสดุเซรามิกที่ดีที่สุดที่มีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมเช่นความแข็งสูงความแข็งแรงเชิงกลสูงความต้านทานอุณหภูมิสูงและความเสถียรทางความร้อนค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำและการสูญเสียอิเล็กทริกความต้านทานการสึกหรอ ในปัจจุบันเป็นที่ชื่นชอบในบรรจุภัณฑ์โมดูล IGBT และค่อยๆแทนที่พื้นผิวเซรามิก AL2O3 และ Aln

4.Silicon Carbide (SIC)

ผลึกเดี่ยวเป็นที่รู้จักกันในชื่อวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามซึ่งมีข้อได้เปรียบของช่องว่างขนาดใหญ่ของแถบแรงดันไฟฟ้าที่สลายตัวสูงการนำความร้อนสูงและความเร็วความอิ่มตัวของอิเล็กตรอนสูง

ด้วยการเพิ่ม beo และ b2o3 จำนวนเล็กน้อยลงใน SIC เพื่อเพิ่มความต้านทานจากนั้นเพิ่มสารเติมแต่งที่สอดคล้องกันในอุณหภูมิสูงกว่า 1900 ℃โดยใช้การเผาแบบกดร้อนคุณสามารถเตรียมความหนาแน่นมากกว่า 98% ของเซรามิก SIC ค่าการนำความร้อนของเซรามิก SIC ที่มีความบริสุทธิ์แตกต่างกันโดยวิธีการเผาและสารเติมแต่งที่แตกต่างกันคือ 100 ~ 490W/(m · k) ที่อุณหภูมิห้อง เนื่องจากค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของเซรามิก SIC มีขนาดใหญ่มากจึงเหมาะสำหรับการใช้งานความถี่ต่ำเท่านั้นและไม่เหมาะสำหรับการใช้งานที่มีความถี่สูง

5. เบริลเลีย (Beo)

beo เป็นโครงสร้าง wurtzite และเซลล์เป็นระบบลูกบาศก์คริสตัล ค่าการนำความร้อนของมันสูงมากสัดส่วนมวล beo 99% beo เซรามิกที่อุณหภูมิห้องค่าการนำความร้อน (การนำความร้อน) สามารถเข้าถึง 310W/(m · k) ประมาณ 10 เท่าของการนำความร้อนของเซรามิกอัล 2O3 บริสุทธิ์ ไม่เพียง แต่มีความสามารถในการถ่ายเทความร้อนสูงมาก แต่ยังมีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำและการสูญเสียอิเล็กทริกและฉนวนสูงและคุณสมบัติเชิงกลเซรามิก Beo เป็นวัสดุที่ต้องการในการใช้อุปกรณ์พลังงานสูงและวงจรที่ต้องการการนำความร้อนสูง

รูปที่ 5: โครงสร้างผลึกของเบริลเลีย

ค่าการนำความร้อนสูงและลักษณะการสูญเสียต่ำของ Beo นั้นไม่ได้เทียบกับวัสดุเซรามิกอื่น ๆ แต่ Beo มีข้อบกพร่องที่ชัดเจนมากและผงเป็นพิษสูง

ในปัจจุบันวัสดุพื้นผิวเซรามิกที่ใช้กันทั่วไปในประเทศจีนส่วนใหญ่เป็น Al2O3, Aln และ Si3N4 สารตั้งต้นเซรามิกที่ทำโดยเทคโนโลยี LTCC สามารถรวมส่วนประกอบแบบพาสซีฟเช่นตัวต้านทานตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำในโครงสร้างสามมิติ ตรงกันข้ามกับการรวมของเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ใช้งานเป็นหลัก LTCC มีความสามารถในการเดินสายเชื่อมต่อระหว่างกันที่มีความหนาแน่นสูง