Nitrure d'aluminium : le matériau de substrat le plus tendance.

Depuis le début du XXIe siècle, le développement rapide des technologies électroniques a permis d'améliorer sans cesse le niveau d'intégration et la densité d'assemblage des composants électroniques, faisant de la dissipation thermique un facteur clé influençant les performances et la fiabilité des dispositifs. Prenons l'exemple des LED haute puissance : seulement 20 à 30 % de la puissance absorbée est convertie en énergie lumineuse, tandis que les 70 à 80 % restants sont dissipés sous forme de chaleur. L'accumulation de cette importante chaleur peut avoir de graves conséquences.

L'utilisation de substrats d'encapsulation pour évacuer la chaleur de la puce (source de chaleur) permet un échange thermique avec l'environnement extérieur, assurant ainsi la dissipation de la chaleur. Parmi ces substrats, les matériaux céramiques, grâce à leur conductivité thermique élevée, leur excellente résistance à la chaleur, leurs propriétés d'isolation et de résistance mécanique élevées, ainsi que leur compatibilité avec les caractéristiques thermiques des matériaux de la puce, sont devenus des matériaux couramment utilisés pour les substrats d'encapsulation des dispositifs de puissance.

Grâce à sa conductivité thermique élevée et à ses performances complètes, il est véritablement captivant.

Pendant longtemps, les substrats céramiques couramment utilisés ont inclus de l'aluminium.₂LE₃, SiC et BeO. Al₂LE₃ Les céramiques ont été développées en premier, avec la technologie de fabrication la plus aboutie, le coût le plus bas et le champ d'application le plus vaste. Cependant, la conductivité thermique de l'aluminium₂LE₃ Le coefficient de dilatation thermique des céramiques est seulement de 17 à 25 W/(m·K), et leur coefficient de dilatation thermique est mal adapté à celui des matériaux semi-conducteurs tels que le Si et le GaAs, ce qui limite leur utilisation dans les circuits haute fréquence, haute puissance et haute intégration. Bien que les substrats en céramique SiC présentent une conductivité thermique élevée et un coefficient de dilatation thermique proche de celui du Si, ils souffrent de faibles propriétés diélectriques, de pertes importantes au frittage et d'un coût élevé, sans compter la difficulté de produire des couches denses, ce qui limite leur application à grande échelle. Si le BeO possède une conductivité thermique comparable à celle de l'AlN, son coefficient de dilatation thermique est excessivement élevé et la poudre de BeO est toxique ; son inhalation peut entraîner une bérylliose chronique, ce qui a conduit la plupart des pays du monde à abandonner son utilisation.

Quelles sont les performances du nitrure d'aluminium ? Examinons cela de plus près :

1. Conductivité thermique exceptionnelle : L'AlN présente une conductivité thermique élevée, avec un maximum théorique à température ambiante atteignant 320 W/(m·K) – soit environ 8 à 10 fois supérieure à celle des céramiques d'alumine. Les variantes produites commercialement atteignent facilement des conductivités thermiques de 200 W/(m·K).

2. Compatibilité thermique et cristalline favorable : L'AlN possède un faible coefficient de dilatation thermique (CDT), avec une valeur théorique de 4,6 × 10⁻⁶/K. Ce CDT est comparable à celui du silicium (Si) et de l'arséniure de gallium (GaAs), et sa dépendance à la température est très similaire à celle du silicium. De plus, l'AlN présente une compatibilité de maille avec le nitrure de gallium (GaN). Cette compatibilité thermique et de maille garantit une liaison robuste entre les puces et les substrats lors de la fabrication de dispositifs de puissance, ce qui est essentiel pour les performances et la fiabilité des dispositifs.

3. Bande interdite large et isolation élevée : Avec une bande interdite de 6,2 eV, la céramique AlN offre une excellente isolation électrique. Cette propriété intrinsèque élimine le besoin de couches isolantes supplémentaires pour les applications LED haute puissance, simplifiant ainsi le processus de fabrication.

4. Propriétés mécaniques robustes, stabilité thermique et résistance chimique : L'AlN cristallise dans la structure wurtzite, caractérisée par de fortes liaisons covalentes. Cette structure lui confère une dureté et une résistance élevées, ainsi que de bonnes propriétés mécaniques globales. De plus, l'AlN présente une excellente stabilité chimique et une grande résistance aux hautes températures. Il reste stable à l'air jusqu'à 1000 °C et présente une bonne stabilité sous vide jusqu'à 1400 °C, facilitant ainsi les procédés de frittage à haute température. Sa résistance à la corrosion est également suffisante pour répondre aux exigences des étapes de traitement ultérieures.

En résumé, ces propriétés exceptionnelles font collectivement du nitrure d'aluminium (AlN) un choix exceptionnel comme matériau de substrat dans des applications exigeantes telles que l'électronique de puissance.

Rôles clés dans de nombreux domaines

Actuellement, la demande de Substrats en nitrure d'aluminium La demande est en constante augmentation dans les domaines des dispositifs semi-conducteurs de puissance, des circuits intégrés de puissance hybrides, des antennes pour les télécommunications, des relais statiques, des LED de puissance et des modules multi-puces (MCM). Les marchés finaux sont principalement axés sur l'électronique automobile, les LED, le transport ferroviaire, les stations de communication, l'aérospatiale et la défense.

Antenne
L'antenne peut convertir l'onde guidée se propageant sur la ligne de transmission en ondes électromagnétiques se propageant dans l'espace libre, ou inversement ; son rôle est donc de créer un convertisseur. Les antennes sont utilisées dans de nombreuses applications et doivent fonctionner correctement dans tous les environnements. Leurs composants doivent donc être d'une qualité et d'une fiabilité extrêmes. Les circuits imprimés classiques ne répondent pas aux exigences fondamentales des antennes. À l'heure actuelle, les circuits imprimés à base de céramique sont ceux qui répondent le mieux à toutes ces exigences. Parmi eux, les circuits imprimés à base de céramique AlN offrent les meilleures performances, notamment en termes de :
(1) Faible constante diélectrique, de sorte que la perte à haute fréquence puisse être réduite et que le signal puisse être transmis intégralement.
(2) Couche métallique à faible résistance et bonne adhérence. Cette couche métallique présente une bonne conductivité et génère moins de chaleur lors du passage du courant.
(3) La base en céramique possède une bonne isolation. L'antenne génère de l'électricité à haute tension pendant son fonctionnement, et la tension de claquage des substrats en céramique est élevée.
(4) Un emballage haute densité est possible.

Module multi-puces (MCM)

Les modules multi-puces sont des composants microélectroniques avancés offrant des performances élevées, une grande fiabilité et une miniaturisation poussée, répondant ainsi aux exigences rigoureuses des secteurs de l'aérospatiale, de l'électronique militaire et d'autres applications. Face à l'augmentation de la puissance des composants et à l'amélioration de la densité d'intégration, une dissipation thermique efficace est une technologie essentielle qui doit être privilégiée. Les matériaux de substrat des boîtiers MCM-C utilisent généralement une structure céramique multicouche, faisant appel à la céramique AlN pour sa conductivité thermique élevée au sein de la technologie MCM, ce qui réduit considérablement la chaleur interne des composants microélectroniques et améliore leur stabilité de fonctionnement.

Conditionnement de semi-conducteurs haute température

Les matériaux et dispositifs semi-conducteurs à large bande interdite à base de SiC, GaN et diamant peuvent fonctionner à des températures élevées, avec Technologie Sic Le SiC étant le plus mature, il peut fonctionner de manière stable dans des environnements à haute température (600 °C) grâce à ses excellentes propriétés physico-chimiques, ce qui le rend extrêmement important pour les systèmes électroniques haute température du secteur aérospatial. Actuellement, les substrats d'encapsulation électronique haute température utilisent principalement des substrats céramiques en Al₂O₃ et en AlN, ces derniers présentant une conductivité thermique plusieurs fois supérieure à celle de l'Al₂O₃.₂LE₃ La céramique et un coefficient de dilatation thermique équivalent à celui du SiC en font le matériau de choix pour les boîtiers électroniques haute température.

Modules de semi-conducteurs de puissance

Les modules de semi-conducteurs de puissance sont des assemblages intégrés de composants électroniques de puissance, conditionnés selon des schémas et des fonctions spécifiques. Ces modules peuvent comporter des composants sélectionnés pour leur conditionnement en fonction des fonctionnalités requises, notamment des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT), des transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET) de puissance et des circuits intégrés de puissance. Les modules de semi-conducteurs de puissance présentent des exigences de dissipation thermique très élevées. Le circuit imprimé en céramique, composant essentiel, est le premier point de contact avec la chaleur. Par conséquent, les substrats en céramique AlN à haute conductivité thermique constituent un choix idéal, en particulier pour les modules IGBT destinés à l'électronique automobile.

Emballage LED haute puissance

Les LED sont des puces semi-conductrices qui convertissent l'électricité en lumière. Les recherches scientifiques indiquent que seulement 20 à 30 % de l'énergie électrique est effectivement convertie en énergie lumineuse, le reste étant dissipé sous forme de chaleur. En l'absence d'une méthode adéquate pour dissiper rapidement cette chaleur, la température de fonctionnement du luminaire peut augmenter brusquement, réduisant considérablement la durée de vie de la LED. L'apparition des circuits imprimés en céramique a permis de résoudre efficacement ce problème de dissipation thermique dans l'éclairage LED, notamment grâce à l'utilisation de substrats en céramique d'AlN. Dans le boîtier de la LED, la chaleur générée est rapidement transférée vers le substrat en céramique d'AlN à haute conductivité thermique, assurant une dissipation thermique rapide. Ceci permet de réduire efficacement les dommages causés au dispositif et d'optimiser sa durée de vie.

Résumé

Comparativement aux substrats céramiques en oxyde d'aluminium, le champ d'application des substrats céramiques en nitrure d'aluminium en Chine reste relativement restreint en raison de facteurs tels que des exigences de production élevées et des coûts plus importants. Ils sont principalement utilisés dans le domaine de l'électronique de pointe. Cependant, avec la modernisation continue des technologies dans l'industrie de l'information électronique, la miniaturisation et l'intégration fonctionnelle des substrats de circuits imprimés (PCB) se développent. La demande du marché pour la conductivité thermique et la résistance aux hautes températures des substrats de dissipation thermique et des matériaux d'encapsulation est en constante augmentation, rendant difficile la satisfaction des exigences du marché par des matériaux aux performances comparables à celles des substrats ordinaires. De ce fait, l'industrie des substrats céramiques en nitrure d'aluminium bénéficie de perspectives de développement prometteuses. Par conséquent, le nitrure d'aluminium est actuellement devenu le matériau de substrat d'encapsulation le plus prisé.