Como todos sabemos, o calor gerado pela operação de dispositivos semicondutores é o fator chave que causa a falha dos dispositivos semicondutores, e a condutividade térmica do substrato isolante elétrico é a chave para a dissipação de calor do dispositivo semicondutor global. Além disso, devido ao complexo ambiente mecânico, como lombadas e vibrações, o material do substrato com certa confiabilidade mecânica também é necessário. A cerâmica de nitreto de silício é mais equilibrada em todos os aspectos, e é materiais cerâmicos estruturais com o melhor desempenho geral. Portanto, o nitreto de silício Si3N4 tem forte competitividade no campo da fabricação de substratos cerâmicos para dispositivos eletrônicos de energia.
No passado, o substrato do circuito é uma combinação de componentes separados ou circuitos integrados e componentes discretos para formar um material plano que atenda aos requisitos da função geral do circuito. Requer apenas isolamento elétrico e condutividade. Após entrar na era das informações inteligentes, os dispositivos eletrônicos de energia também são necessários para serem capazes de converter e controlar a energia elétrica, o que melhora muito os requisitos de desempenho de controle elétrico e conversão de energia e o consumo de energia operacional dos dispositivos. Correspondentemente, os substratos comuns não podem mais atender aos altos requisitos de redução da resistência térmica de dispositivos de potência complexos, controlando a temperatura de operação e garantindo confiabilidade, um substrato com melhor desempenho deve ser substituído, e um novo tipo de substrato de cerâmica de potência surgiu.
Com base nos requisitos de desempenho dos dispositivos eletrônicos para substratos cerâmicos, o material do substrato deve ter as seguintes propriedades:
1. Bom isolamento e resistência à pane elétrica;
2. Alta condutividade térmica: a condutividade térmica afeta diretamente as condições de operação e a vida útil dos semicondutores, e a distribuição desigual do campo de temperatura causada pela má dissipação de calor também aumentará consideravelmente o ruído dos dispositivos eletrônicos;
3. O coeficiente de expansão térmica corresponde a outros materiais utilizados na embalagem;
4. Boas características de alta frequência: baixa constante dielétrica e baixa perda dielétrica;
5. A superfície é lisa e a espessura é uniforme: é conveniente imprimir o circuito na superfície do substrato, e garantir a espessura uniforme do circuito impresso.
Atualmente, os materiais de substrato cerâmico mais utilizados são principalmente óxido de alumínio Al2O3 e nitreto de alumínio AlN. Como o nitreto de silício se compara ao seu desempenho? A tabela a seguir é a comparação básica de desempenho dos três substratos cerâmicos. Pode-se ver que os materiais cerâmicos de nitreto de silício têm vantagens óbvias, especialmente o desempenho de resistência à alta temperatura de materiais cerâmicos de nitreto de silício em condições de alta temperatura, inerte química aos metais e propriedades mecânicas ultra-altas, como dureza e dureza da fratura.
item | unidade | Si3N4 | Aln | Al2O3 |
Força de dobra | Mpa | 600 | 350 | 400 |
Dureza da fratura | Mpa·m1/2 | 6.0 | 2.7 | 3.0 |
Condutividade Térmica | W/m.K | 80 | 180 | 25 |
Capacidade de transporte atual | um | >300 | 100-300 | <> |
Resistência Térmica | °C/W | <> (0,5 mm Cu) | <> (0,3 mm Cu) | >1.0 (0,3 mm Cu) |
Confiabilidade* | Hora | >5.000 | 200 | 300 |
custar | - | alto | alto | baixo |
* O teste de confiabilidade é o número de vezes que o material não é danificado sob a condição de -40 graus Celsius a 150 graus Celsius.
Uma vez que o nitreto de silício é tão excelente, por que ainda há menos aplicação no mercado, e onde estão suas oportunidades de desenvolvimento? Na verdade, os três materiais têm suas próprias vantagens e desvantagens. Por exemplo, embora a alumina tenha má condutividade térmica e não possa acompanhar a tendência de desenvolvimento de semicondutores de alta potência, seu processo de fabricação é maduro e de baixo custo, e ainda há uma grande demanda nos campos de baixa e média gama. O nitreto de alumínio tem a melhor condutividade térmica e tem uma boa combinação com materiais semicondutores. Pode ser usado em indústrias high-end, mas as propriedades mecânicas são pobres, o que afeta a vida útil dos dispositivos semicondutores e tem um custo de uso mais alto. O nitreto de silício tem o melhor desempenho em termos de desempenho geral, mas a barreira de entrada é alta. Atualmente, muitos institutos de pesquisa nacionais e empresas na China estão estudando, mas a tecnologia é difícil, o custo de produção é alto, e o mercado é pequeno, então aplicações em larga escala ainda não apareceram. Essa é a razão pela qual muitas empresas ainda estão esperando para ver e não decidiram aumentar o investimento. No entanto, a situação é diferente agora, porque o mundo entrou em um período crítico para o desenvolvimento da terceira geração de semicondutores. Substratos de circuito cerâmico de nitreto de silício amadureceram produtos nos Estados Unidos e japão. A China tem um longo caminho a percorrer nesta área. Há um caminho a percorrer. Com o desenvolvimento da tecnologia e o aumento da demanda de mercado, a UNIPRETEC acredita que haverá cada vez mais resultados que podem ser mostrados.
