Come tutti sappiamo, il calore generato dal funzionamento dei dispositivi a semiconduttore è il fattore chiave che causa il guasto dei dispositivi a semiconduttore e la conduttività termica del substrato isolante elettrico è la chiave per la dissipazione del calore dell'intero dispositivo a semiconduttore. Inoltre, a causa del complesso ambiente meccanico come urti e vibrazioni, è richiesto anche il materiale del substrato con una certa affidabilità meccanica. La ceramica al nitruro di silicio è più equilibrata sotto tutti gli aspetti ed è un materiale ceramico strutturale con le migliori prestazioni complessive. Pertanto, il nitruro di silicio Si3N4 ha una forte competitività nel campo della produzione di substrati ceramici per dispositivi elettronici di potenza.
In passato, il substrato del circuito è una combinazione di componenti separati o circuiti integrati e componenti discreti per formare un materiale piatto che soddisfa i requisiti della funzione complessiva del circuito. Richiede solo isolamento elettrico e conduttività. Dopo essere entrati nell'era delle informazioni intelligenti, anche i dispositivi elettronici di potenza devono essere in grado di convertire e controllare l'energia elettrica, il che migliora notevolmente i requisiti di controllo elettrico e di conversione della potenza e il consumo energetico operativo dei dispositivi. Di conseguenza, i substrati ordinari non possono più soddisfare gli elevati requisiti di riduzione della resistenza termica di dispositivi di potenza complessi, controllo della temperatura operativa e affidabilità, è necessario sostituire un substrato con prestazioni migliori ed è emerso un nuovo tipo di substrato ceramico di potenza.
In base ai requisiti prestazionali dei dispositivi elettronici per substrati ceramici, il materiale del substrato dovrebbe avere le seguenti proprietà:
1. Buon isolamento e resistenza ai guasti elettrici;
2. Elevata conduttività termica: la conduttività termica influisce direttamente sulle condizioni operative e sulla durata dei semiconduttori e anche la distribuzione irregolare del campo di temperatura causata dalla scarsa dissipazione del calore aumenterà notevolmente il rumore dei dispositivi elettronici;
3. Il coefficiente di dilatazione termica corrisponde ad altri materiali utilizzati nella confezione;
4. Buone caratteristiche ad alta frequenza: bassa costante dielettrica e bassa perdita dielettrica;
5. La superficie è liscia e lo spessore è uniforme: è conveniente stampare il circuito sulla superficie del substrato e garantire lo spessore uniforme del circuito stampato.
Attualmente, i materiali di substrato ceramico più utilizzati sono principalmente l'ossido di alluminio Al2O3 e il nitruro di alluminio AlN. Come si confronta il nitruro di silicio con le loro prestazioni? La tabella seguente è il confronto delle prestazioni di base dei tre substrati ceramici. Si può vedere che i materiali ceramici di nitruro di silicio hanno ovvi vantaggi, in particolare le prestazioni di resistenza alle alte temperature dei materiali ceramici di nitruro di silicio in condizioni di alta temperatura, inerzia chimica ai metalli e proprietà meccaniche ultra elevate come durezza e tenacità alla frattura.
ARTICOLO | UNITÀ | Si3N4 | AlN | Al2O3 |
Resistenza alla flessione | Mpa | 600 | 350 | 400 |
Resistenza alla frattura | Mpam1/2 | 6.0 | 2.7 | 3.0 |
Conduttività termica | W/m.K | 80 | 180 | 25 |
Capacità di carico attuale | A | & gt;300 | 100-300 | <> |
Resistenza termica | ℃/W | <> (0,5 mm Cu) | <> (0,3 mm Cu) | & gt;1.0 (0,3 mm Cu) |
Affidabilità* | Volta | & gt;5.000 | 200 | 300 |
Costo | - | Alto | Alto | Basso |
* Il test di affidabilità è il numero di volte in cui il materiale non viene danneggiato in condizioni comprese tra -40 gradi Celsius e 150 gradi Celsius.
Poiché il nitruro di silicio è così eccellente, perché c'è ancora meno applicazione sul mercato e dove sono le sue opportunità di sviluppo? In effetti, i tre materiali hanno i loro vantaggi e svantaggi. Ad esempio, sebbene l'allumina abbia una scarsa conduttività termica e non possa tenere il passo con il trend di sviluppo dei semiconduttori ad alta potenza, il suo processo di produzione è maturo e a basso costo, e c'è ancora una grande domanda nei campi di fascia bassa e media. . Il nitruro di alluminio ha la migliore conduttività termica e ha una buona corrispondenza con i materiali semiconduttori. Può essere utilizzato nelle industrie di fascia alta, ma le proprietà meccaniche sono scarse, il che influisce sulla vita dei dispositivi a semiconduttore e ha un costo di utilizzo più elevato. Il nitruro di silicio ha le migliori prestazioni in termini di prestazioni complessive, ma la barriera all'ingresso è alta. Al momento, molti istituti di ricerca e imprese nazionali in Cina stanno studiando, ma la tecnologia è difficile, il costo di produzione è elevato e il mercato è piccolo, quindi non sono ancora apparse applicazioni su larga scala. Questo è il motivo per cui molte aziende stanno ancora aspettando di vedere e non hanno deciso di aumentare gli investimenti. Tuttavia, la situazione è diversa ora, perché il mondo è entrato in un periodo critico per lo sviluppo della terza generazione di semiconduttori. I substrati dei circuiti ceramici in nitruro di silicio hanno prodotti maturati negli Stati Uniti e in Giappone. La Cina ha una lunga strada da percorrere in questo settore. C'è una strada da percorrere. Con lo sviluppo della tecnologia e l'aumento della domanda del mercato, UNIPRETEC crede che ci saranno sempre più risultati che possono essere mostrati.
