В последние годы электромобили, электровозы, полупроводниковое освещение, аэрокосмическая промышленность, спутниковая связь и другие области вступили в фазу бурного развития. Электронные устройства, используемые в этих областях, работают в условиях сильного тока, высокой температуры и высокой частоты. Для обеспечения стабильности работы устройства и схемы к носителям микросхем предъявляются более высокие требования. Керамические подложки обладают отличными тепловыми характеристиками, микроволновыми свойствами, механическими свойствами и высокой надежностью, что делает их широко применимыми в этих областях.
В зависимости от материала керамической подложки основные типы в настоящее время включают керамические подложки из оксида алюминия, керамические подложки из нитрида алюминия, керамические подложки из нитрида кремния, керамические подложки из карбида кремния, керамические подложки из оксида бериллия и керамические подложки из нитрида бора.
1. Глинозем
Керамика из глинозема имеет высокую твердость: твердость по Роквеллу HRA 80–90, уступая только алмазу. Их износостойкость в 266 раз выше, чем у марганцевой стали, и в 171,5 раза выше, чем у высокохромистого чугуна, что продлевает срок службы оборудования как минимум в десять раз при тех же условиях эксплуатации. Кроме того, керамические подложки из оксида алюминия обладают высокой теплопроводностью, хорошим удельным сопротивлением и термической стабильностью, а также низкой диэлектрической проницаемостью. В результате они стали предпочтительным материалом для микроэлектронных устройств и систем следующего-поколения и широко используются в аэрокосмической отрасли, связи 5G, производстве мощных-полупроводников, мощном-светодиодном освещении и других областях.
2. Нитрид алюминия.
Керамика из нитрида алюминия в последние годы стала очень популярным материалом в электронной промышленности благодаря своей высокой теплопроводности (близкой к карбиду кремния и оксиду бериллия и в 5–10 раз выше, чем у оксида алюминия), низкой диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь, хорошим электроизоляционным свойствам и коэффициенту теплового расширения, соответствующему кремнию и арсениду галлия. По сравнению с керамикой из оксида бериллия керамика из нитрида алюминия нетоксична и имеет более низкие производственные затраты. Таким образом, керамика из нитрида алюминия в настоящее время является идеальными высокоэффективными керамическими подложками и упаковочными материалами с сильной тенденцией к постепенной замене токсичной керамики из оксида бериллия и низкоэффективной керамики из оксида алюминия. Теоретическая теплопроводность керамики из нитрида алюминия может достигать 320 Вт/м·К. Нитрид алюминия высокой чистоты бесцветен и прозрачен, но на его свойства легко влияют химическая чистота и плотность. Дефекты решетки, такие как примеси, могут вызывать рассеяние фононов и значительно снижать теплопроводность.
3. Нитрид кремния.
Нитрид кремния, как современный керамический материал, демонстрирует превосходные механические свойства при высоких температурах, химическую стабильность, теплопроводность и электрическую изоляцию, что делает его весьма перспективным материалом для подложек для электронных устройств. Керамические подложки из нитрида кремния демонстрируют выдающиеся высокотемпературные механические свойства, включая высокое сопротивление ползучести, стойкость к окислению и износостойкость. Это делает их пригодными для экстремальных условий, таких как аэрокосмическая, энергетическая и нефтехимическая промышленность. В электронике и терморегулировании керамические подложки из нитрида кремния обеспечивают отличную электроизоляцию и высокую теплопроводность, отвечая требованиям к рассеиванию тепла и упаковке мощных высокочастотных устройств. Они широко используются в силовых полупроводниковых модулях, подложках высокочастотных схем, высокотемпературных электронных системах и других важных сценариях.
4. Нитрид бора
Керамика из нитрида бора обладает многими прекрасными свойствами. Нитрид бора обладает сверхвысокой теплопроводностью: теоретическое значение для гексагональных нанолистов нитрида бора достигает 1700–2000 Вт/(м·К). Он также демонстрирует хорошую высокотемпературную стабильность и стойкость к окислению. Нитрид бора сублимируется при температуре 3000 градусов, может использоваться до 900 градусов в окислительной атмосфере, до 2000 градусов в вакууме и до 2800 градусов в инертной атмосфере. В полупроводниковой упаковке керамические подложки из нитрида бора имеют теплопроводность в три раза выше, чем традиционные подложки из оксида алюминия, что эффективно повышает эффективность отвода тепла от чипа.
5. Карбид кремния.
Материалы SiC в основном делятся на монокристаллические и керамические. Монокристаллический SiC — это широкозонный полупроводниковый материал третьего поколения с широкой запрещенной зоной, высокой напряженностью поля пробоя, низким сопротивлением в открытом состоянии, высокой подвижностью насыщенных электронов, высокой теплопроводностью и превосходной радиационной стойкостью. Эти свойства делают его чрезвычайно подходящим для электронных устройств, работающих в суровых условиях, таких как высокая температура или высокое напряжение. Поликристаллический SiC (т.е. керамика SiC) обладает хорошей химической стабильностью, высокой термостойкостью, износостойкостью и коррозионной стойкостью и может демонстрировать различные характеристики в зависимости от используемых процессов формования и спекания.
6. Оксид бериллия.
Керамические подложки из оксида бериллия обладают высокой теплопроводностью, высокой температурой плавления, высокой прочностью, высокой изоляцией, высокой химической и термической стабильностью, низкой диэлектрической проницаемостью, низкими диэлектрическими потерями и хорошей технологической технологичностью. Они особенно подходят для мощных электронных устройств с чрезвычайно высокими требованиями к отводу тепла. Однако BeO является токсичным материалом. Пыль, образующаяся в процессе производства и использования, представляет серьезную опасность для здоровья человека и окружающей среды.