Nitruro de aluminio: o material de substrato máis "moderno"

Desde que entramos no século XXI, co rápido desenvolvemento da tecnoloxía electrónica, o nivel de integración e a densidade de montaxe dos compoñentes electrónicos mellorou continuamente, o que converte a disipación da calor nun factor clave que afecta o rendemento e a fiabilidade dos dispositivos. Tomando como exemplo os envases LED de alta potencia, só entre o 20 % e o 30 % da potencia de entrada se converte en enerxía luminosa, mentres que o 70 % a 80 % restante se converte en calor. A acumulación desta gran cantidade de calor pode ter consecuencias graves.

Ao utilizar substratos de empaquetado para quentar o chip (fonte de calor), conséguese o intercambio térmico co ambiente externo para cumprir o propósito de disipación da calor. Entre estes, os materiais cerámicos, coa súa alta condutividade térmica, excelente resistencia á calor, alto illamento, alta resistencia e compatibilidade coas características térmicas dos materiais do chip, convertéronse en materiais de uso común para substratos de empaquetado de dispositivos de enerxía.

Coa súa alta condutividade térmica e o seu rendemento integral, é realmente fascinante

Durante moito tempo, os substratos cerámicos de uso común incluíron Al₂O/A₃, SiC e BeO. Al₂O/A₃ As cerámicas foron desenvolvidas primeiro, coa tecnoloxía de preparación máis madura, o custo máis baixo e a aplicación máis ampla. Non obstante, a condutividade térmica do Al₂O/A₃ a cerámica é de só 17-25 W/(m·K), e o seu coeficiente de expansión térmica non se corresponde ben co dos materiais semicondutores como o Si e o GaAs, o que limita o seu uso en circuítos de alta frecuencia, alta potencia e alta integración. Aínda que os substratos cerámicos de SiC teñen unha alta condutividade térmica e un coeficiente de expansión térmica moi semellante ao do Si, presentan propiedades dieléctricas deficientes, altas perdas por sinterización e altos custos, xunto coa dificultade de producir produtos densos, o que restrinxe a súa aplicación en masa. Aínda que o BeO ten unha condutividade térmica comparable á do AlN, o seu coeficiente de expansión térmica é excesivamente alto e o po de BeO é tóxico; a inhalación pode provocar unha enfermidade crónica do berilio, o que fai que a maioría dos países do mundo deixen de usar o seu uso.

Cal é o rendemento do nitruro de aluminio? Vexamos:

1. Condutividade térmica excepcional: O AlN presenta unha alta condutividade térmica, cun máximo teórico á temperatura ambiente que alcanza os 320 W/(m·K), aproximadamente de 8 a 10 veces maior que a cerámica de alúmina. As variantes producidas comercialmente alcanzan facilmente condutividades térmicas de ata 200 W/(m·K).

2. Correspondencia térmica e de rede favorable: O AlN posúe un baixo coeficiente de expansión térmica (CTE), cun valor teórico de 4,6 × 10⁻⁶/K. Este CTE é comparable ao silicio (Si) e ao arseniuro de galio (GaAs), e a súa dependencia da temperatura reflicte moi ben a do silicio. Ademais, o AlN presenta unha coincidencia de rede co nitruro de galio (GaN). Esta compatibilidade térmica e de rede garante unha unión robusta entre os chips e os substratos durante a fabricación de dispositivos de alta potencia, o que é fundamental para o rendemento e a fiabilidade do dispositivo.

3. Banda ancha e alto illamento: Cunha banda prohibida de 6,2 eV, a cerámica de AlN ofrece un excelente illamento eléctrico. Esta propiedade inherente elimina a necesidade de capas de illamento adicionais cando se usa en aplicacións de LED de alta potencia, o que simplifica o proceso de fabricación.

4. Propiedades mecánicas robustas, estabilidade térmica e resistencia química: O AlN cristaliza na estrutura wurtzita, caracterizada por unha forte unión covalente. Esta estrutura confire alta dureza, alta resistencia e un bo rendemento mecánico xeral. Ademais, o AlN demostra unha excelente estabilidade química e resistencia a altas temperaturas. Permanece estable no aire ata os 1000 °C e presenta unha boa estabilidade en ambientes de baleiro ata os 1400 °C, o que facilita os procesos de sinterización a alta temperatura. A súa resistencia á corrosión tamén é suficiente para cumprir as esixencias dos pasos de procesamento posteriores.

En resumo, estas propiedades excepcionais fan que o nitruro de aluminio (AlN) sexa unha opción excelente para o material de substrato en aplicacións esixentes como a electrónica de alta potencia.

Papeis clave en numerosos campos

Actualmente, a demanda de substratos de nitruro de aluminio está a medrar constantemente nos campos dos dispositivos semicondutores de potencia, os circuítos de potencia integrados híbridos, as antenas na industria das telecomunicacións, os relés de estado sólido, os LED de potencia e os módulos multichip (MCM). Os mercados finais están dirixidos á electrónica automotriz, os LED, o transporte ferroviario, as estacións de comunicación, a industria aeroespacial e a defensa militar.

Antena
A antena pode converter a onda guía que se propaga na liña de transmisión en ondas electromagnéticas que se propagan no espazo libre, ou converter as ondas electromagnéticas en ondas guía, e a súa esencia é un conversor. As antenas utilízanse para unha ampla gama de fins e necesitan funcionar ben en calquera ambiente, polo que os seus compoñentes requiren unha calidade alta e extremadamente fiable. As placas de circuíto ordinarias non poden cumprir os requisitos básicos das antenas, e a máis próxima a todos os aspectos dos requisitos da antena nesta fase é a placa de circuíto baseada en cerámica, entre as cales a placa de circuíto baseada en cerámica AlN ten o mellor rendemento, o que se reflicte principalmente en:
(1) Constante dieléctrica pequena, de xeito que se poida reducir a perda de alta frecuencia e o sinal se poida transmitir completamente.
(2) Capa de película metálica de baixa resistencia e boa adherencia. A capa metálica ten boa condutividade e xera menos calor cando a corrente pasa a través dela.
(3) A base cerámica ten un bo illamento. A antena xera electricidade de alta tensión durante o uso e a tensión de ruptura dos substratos cerámicos é alta.
(4) É posible o empaquetado de alta densidade.

Módulo multichip (MCM)

Os módulos multichip son compoñentes microelectrónicos avanzados que ofrecen alto rendemento, alta fiabilidade e miniaturización para cumprir os estritos requisitos da industria aeroespacial, a electrónica militar e outras aplicacións. Co aumento da potencia dos compoñentes e a mellora da densidade do empaquetado, a disipación eficaz da calor é unha tecnoloxía fundamental que debe priorizarse. Os materiais do substrato de empaquetado MCM-C adoitan empregar unha estrutura cerámica multicapa, utilizando cerámica de AlN pola súa alta condutividade térmica dentro da tecnoloxía MCM, o que reduce significativamente a calor interna dos compoñentes microelectrónicos e mellora a estabilidade operativa.

Envasado de semicondutores de alta temperatura

Os materiais e dispositivos semicondutores de banda ancha baseados en SiC, GaN e diamante poden funcionar a altas temperaturas, con Tecnoloxía Sic sendo o máis maduro. O SiC pode funcionar de forma estable en ambientes de alta temperatura de 600 °C debido ás súas excelentes propiedades físicas e químicas, o que o fai extremadamente importante para os sistemas electrónicos de alta temperatura no campo aeroespacial. Actualmente, os substratos de envasado electrónico de alta temperatura usan principalmente substratos cerámicos de Al2O3 e AlN, sendo a cerámica de AlN a que presenta unha condutividade térmica varias veces maior que a do Al₂O/A₃ cerámica e un coeficiente de expansión térmica igual ao do SiC, o que o converte no material preferido para envases electrónicos de alta temperatura.

Módulos de semicondutores de potencia

Os módulos de semicondutores de potencia son conxuntos integrados de compoñentes electrónicos de potencia que se empaquetan segundo patróns e funcións específicos. Estes módulos poden ter compoñentes seleccionados para o empaquetado en función da funcionalidade requirida, incluíndo normalmente transistores bipolares de porta illada (IGBT), transistores de efecto de campo de semicondutores de óxido metálico de potencia (MOSFET) e circuítos integrados de potencia, entre outros. Os módulos de semicondutores de potencia teñen requisitos de disipación de calor moi elevados. Como un dos principais compoñentes do núcleo, a placa de circuíto cerámico é tamén o primeiro punto de contacto coa calor. Polo tanto, os substratos cerámicos de AlN de alta condutividade térmica son sen dúbida unha opción ideal, especialmente para módulos IGBT electrónicos para automóbiles.

Envasado de LED de potencia

Os LED son chips semicondutores que converten a electricidade en luz. A investigación científica indica que só entre o 20 % e o 30 % da enerxía eléctrica se converte eficazmente en enerxía luminosa, mentres que o resto se disipa en forma de calor. Se non existe un método axeitado para disipar rapidamente esta calor, pode provocar un aumento brusco da temperatura de funcionamento da luminaria, o que acurta significativamente a vida útil do LED. A aparición de placas de circuíto cerámico solucionou eficazmente este problema de disipación da calor na iluminación LED, especialmente mediante a aplicación de substratos cerámicos de AlN. Nos envases de LED, a calor xerada transfírese rapidamente ao substrato cerámico de AlN de alta condutividade térmica, o que consegue unha rápida disipación da calor, o que pode reducir eficazmente os danos no dispositivo e manter mellor a vida útil.

Resumo

En comparación cos substratos cerámicos de óxido de aluminio, o rango de aplicación dos substratos cerámicos de nitruro de aluminio na China é actualmente relativamente estreito debido a factores como os altos requisitos do proceso de produción e os maiores custos, xa que se empregan principalmente en campos electrónicos de alta gama. Non obstante, coa continua actualización da tecnoloxía na industria da información electrónica, está a xurdir a tendencia cara á miniaturización e á integración funcional dos substratos de PCB. A demanda do mercado de condutividade térmica e resistencia a altas temperaturas dos substratos de disipación de calor e materiais de envasado está a aumentar constantemente, o que dificulta que os materiais cun rendemento comparable aos substratos ordinarios cumpran os requisitos do mercado. Polo tanto, a industria dos substratos cerámicos de nitruro de aluminio ten oportunidades de desenvolvemento. En consecuencia, o nitruro de aluminio converteuse no material de substrato de envasado máis demandado na actualidade.