Como todos sabemos, el calor generado por el funcionamiento de los dispositivos semiconductores es el factor clave que causa la falla de los dispositivos semiconductores, y la conductividad térmica del sustrato aislante eléctrico es la clave para la disipación de calor del dispositivo semiconductor en general. Además, debido al complejo entorno mecánico, como golpes y vibraciones, también se requiere el material de sustrato con cierta confiabilidad mecánica. La cerámica de nitruro de silicio es más equilibrada en todos los aspectos y son los materiales cerámicos estructurales con el mejor rendimiento general. Por lo tanto, el nitruro de silicio Si3N4 tiene una fuerte competitividad en el campo de la fabricación de sustratos cerámicos para dispositivos electrónicos de potencia.
En el pasado, el sustrato del circuito es una combinación de componentes separados o circuitos integrados y componentes discretos para formar un material plano que cumple con los requisitos de la función general del circuito. Solo requiere aislamiento eléctrico y conductividad. Después de ingresar a la era de la información inteligente, también se requieren dispositivos electrónicos de potencia para poder convertir y controlar la energía eléctrica, lo que mejora en gran medida los requisitos de rendimiento de conversión de potencia y control eléctrico y el consumo de energía de funcionamiento de los dispositivos. En consecuencia, los sustratos ordinarios ya no pueden cumplir con los altos requisitos de reducir la resistencia térmica de dispositivos de energía complejos, controlar la temperatura de funcionamiento y garantizar la confiabilidad, se debe reemplazar un sustrato con mejor rendimiento y ha surgido un nuevo tipo de sustrato de cerámica de energía.
Según los requisitos de rendimiento de los dispositivos electrónicos para sustratos cerámicos, el material del sustrato debe tener las siguientes propiedades:
1. Buen aislamiento y resistencia a averías eléctricas;
2. Alta conductividad térmica: la conductividad térmica afecta directamente las condiciones de funcionamiento y la vida útil de los semiconductores, y la distribución desigual del campo de temperatura causada por una mala disipación de calor también aumentará en gran medida el ruido de los dispositivos electrónicos;
3. El coeficiente de expansión térmica coincide con otros materiales utilizados en el paquete;
4. Buenas características de alta frecuencia: baja constante dieléctrica y baja pérdida dieléctrica;
5. La superficie es lisa y el grosor es uniforme: es conveniente imprimir el circuito en la superficie del sustrato y asegurar el grosor uniforme del circuito impreso.
En la actualidad, los materiales de sustrato cerámico más utilizados son principalmente óxido de aluminio Al2O3 y nitruro de aluminio AlN. ¿Cómo se compara el nitruro de silicio con su rendimiento? La siguiente tabla es la comparación de rendimiento básico de los tres sustratos cerámicos. Puede verse que los materiales cerámicos de nitruro de silicio tienen ventajas obvias, especialmente el rendimiento de resistencia a altas temperaturas de los materiales cerámicos de nitruro de silicio en condiciones de alta temperatura, inercia química a los metales y propiedades mecánicas ultra altas como dureza y tenacidad a la fractura.
ARTICULO | UNIDAD | Si3N4 | AlN | Al2O3 |
Resistencia a la flexión | Mpa | 600 | 350 | 400 |
Tenacidad a la fractura | Mpa · m1/2 | 6.0 | 2.7 | 3.0 |
Conductividad térmica | W/m.K | 80 | 180 | 25 |
Capacidad de carga actual | A | & gt; 300 | 100-300 | & lt; 100 |
Resistencia termica | ℃/W | & lt; 0,5 (0,5 mm Cu) | & lt; 0,5 (0,3 mm Cu) | & gt; 1,0 (0,3 mm Cu) |
Fiabilidad* | Tiempo | & gt; 5.000 | 200 | 300 |
Costo | - | Elevado | Elevado | Bajo |
* La prueba de confiabilidad es la cantidad de veces que el material no se daña bajo la condición de -40 grados Celsius a 150 grados Celsius.
Dado que el nitruro de silicio es tan excelente, ¿por qué hay todavía menos aplicaciones en el mercado y dónde están sus oportunidades de desarrollo? De hecho, los tres materiales tienen sus propias ventajas y desventajas. Por ejemplo, aunque la alúmina tiene una conductividad térmica deficiente y no puede mantenerse al día con la tendencia de desarrollo de los semiconductores de alta potencia, su proceso de fabricación es maduro y de bajo costo, y todavía existe una gran demanda en los campos de gama baja y media. . El nitruro de aluminio tiene la mejor conductividad térmica y se adapta bien a los materiales semiconductores. Puede usarse en industrias de alta gama, pero las propiedades mecánicas son malas, lo que afecta la vida útil de los dispositivos semiconductores y tiene un mayor costo de uso. El nitruro de silicio tiene el mejor rendimiento en términos de rendimiento general, pero la barrera de entrada es alta. En la actualidad, muchos institutos de investigación y empresas nacionales en China están estudiando, pero la tecnología es difícil, el costo de producción es alto y el mercado es pequeño, por lo que aún no han aparecido aplicaciones a gran escala. Esta es la razón por la que muchas empresas todavía están esperando ver y no se han decidido a aumentar la inversión. Sin embargo, la situación es diferente ahora, porque el mundo ha entrado en un período crítico para el desarrollo de la tercera generación de semiconductores. Los sustratos de circuitos cerámicos de nitruro de silicio tienen productos maduros en los Estados Unidos y Japón. China tiene un largo camino por recorrer en este ámbito. Hay un camino por recorrer. Con el desarrollo de la tecnología y el aumento de la demanda del mercado, UNIPRETEC cree que habrá más y más resultados que se puedan mostrar.
