مواد وخصائص ركائز السيراميك

مع تقدم وتطوير التكنولوجيا ، ارتفعت تيار التشغيل ودرجة حرارة العمل والتردد في الأجهزة تدريجياً. من أجل تلبية الاعتماد على الأجهزة والدوائر ، تم تقديم متطلبات أعلى لناقلات الرقائق. تستخدم ركائز السيراميك على نطاق واسع في هذه الحقول بسبب خصائصها الحرارية الممتازة وخصائص الميكروويف والخصائص الميكانيكية والموثوقية العالية.

في الوقت الحاضر ، فإن المواد السيرامية الرئيسية المستخدمة في ركائز السيراميك هي: الألومينا (AL2O3) ، نيتريد الألومنيوم (ALN) ، نيتريد السيليكون (SI3N4) ، كربيد السيليكون (SIC) وأكسيد البيريليوم (BEO).

(KV

مادة _	نقاء	الموصلية الحرارية (W/Km)	شدة الحقل الإضافية الثابتة	الكهربائية النسبية	/ MM ^
(	-	1	)	)	موجز	تطبيقات أوسع بكثير
aln	99 ٪	150	8.9	15	أداء أعلى ، لكن ارتفاع تكلفة
beo	99 ٪	310	6.4	10	مسحوق مع سامة للغاية ، حدود لاستخدام
SI3N4	99 ٪	106	9.4	100	الأداء الإجمالي الأمثل
99	٪	270	40	0.7	تناسب فقط لتطبيقات التردد المنخفض

دعونا نرى الخصائص الموجزة لهذه السيراميك المتقدمة الخمسة للركائز على النحو التالي:

1. الألومينا (AL2O3)

يمكن أن تصل البلورات المتعددة المتجانسة AL2O3 إلى أكثر من 10 أنواع ، والأنواع البلورية الرئيسية هي كما يلي: α-AL2O3 ، β-AL2O3 ، γ-AL2O3 و ZTA-AL2O3. من بينها ، يتمتع α-AL2O3 بأقل نشاط وهو الأكثر استقرارًا بين الأشكال الكريستالية الأربعة الأربعة ، وخلية الوحدة الخاصة بها عبارة عن رومبوهيدرون مدبب ، ينتمي إلى نظام البلورة السداسية. هيكل α-al2O3 ضيق ، بنية corundum ، يمكن أن يوجد ثابت في جميع درجات الحرارة ؛ عندما تصل درجة الحرارة إلى 1000 ~ 1600 درجة مئوية ، ستتحول المتغيرات الأخرى بشكل لا رجعة فيه إلى α-AL2O3.

الشكل 1: microstruture الكريستال من AL2O3 تحت SEM

مع زيادة جزء الكتلة AL2O3 وانخفاض جزء كتلة الطور الزجاجي المقابل ، يرتفع الموصلية الحرارية للسيراميك AL2O3 بسرعة ، وعندما يصل جزء AL2O3 إلى 99 ٪ 90 ٪.

على الرغم من أن زيادة جزء الكتلة من AL2O3 يمكن أن يحسن الأداء الكلي للسيراميك ، إلا أنه يزيد أيضًا من درجة حرارة التلبيد للسيراميك ، مما يؤدي بشكل غير مباشر إلى زيادة تكاليف الإنتاج.

2. نيتريد الألومنيوم (ALN)

ALN هو نوع من مجموعة ⅲ-V مع بنية Wurtzite. خلية الوحدة الخاصة بها هي Tetrahedron ALN4 ، التي تنتمي إلى نظام بلوري سداسي ولديها رابطة تساهمية قوية ، لذلك لها خصائص ميكانيكية ممتازة وقوة الانحناء العالية. من الناحية النظرية ، تكون كثافتها البلورية 3.2611g/cm3 ، لذلك لديها توصيل حراري عالي ، والبلورة ALN النقية لها توصيلية حرارية تبلغ 320 واط/(م · ك) في درجة حرارة الغرفة ، والتوصيل الحراري للملفات الحرارية التي تم إطلاقها بالضغط الساخن. يمكن أن تصل الركيزة إلى 150 واط/(م · ك) ، والتي تزيد عن 5 أضعاف من AL2O3. يبلغ معامل التمدد الحراري 3.8 × 10-6 ~ 4.4 × 10-6/℃ ، وهو ما يتطابق بشكل جيد مع معامل التمدد الحراري لمواد رقاقة أشباه الموصلات مثل SI و SIC و GAAs.

الشكل 2: مسحوق نيتريد الألومنيوم

تحتوي السيراميك ALN على توصيل حراري أعلى من السيراميك AL2O3 ، والذي يحل محل السيراميك AL2O3 تدريجياً في إلكترونيات الطاقة عالية الطاقة والأجهزة الأخرى التي تتطلب توصيلًا مرتفعًا بالحرارة ، ولديها آفاق تطبيق واسعة. تعتبر السيراميك ALN أيضًا المادة المفضلة لنافذة توصيل الطاقة للأجهزة الإلكترونية للتفريغ الكهربائي بسبب معامل انبعاثات الإلكترون الثانوي المنخفض.

3. نيتريد السيليكون (SI3N4)

SI3N4 عبارة عن مركب مستعرض تساهميًا مع ثلاثة هياكل بلورية: α-SI3N4 و β-SI3N4 و γ-Si3N4. من بينها ، α-SI3N4 و β-Si3N4 هما أكثر الأشكال البلورية شيوعًا ، مع بنية سداسية. يمكن أن تصل الموصلية الحرارية لـ SI3N4 الكريستال الفردي إلى 400W/(M · K). ومع ذلك ، نظرًا لنقل حرارة فونون ، هناك عيوب شعرية مثل الشواغر والخلع في الشبكة الفعلية ، وتتسبب الشوائب . من خلال تحسين عملية النسبة والتلبيخ ، وصلت الموصلية الحرارية إلى 106W/(M · K). يبلغ معامل التمدد الحراري لـ SI3N4 حوالي 3.0 × 10-6/ C ، وهو متطابق جيدًا مع مواد SI و SIC و GaAs ، مما يجعل السيراميك SI3N4 مادة الركيزة الخزفية الجذابة للأجهزة الإلكترونية الحرارية العالية.

الشكل 3: مسحوق نيتريد السيليكون

من بين ركائز السيراميك الحالية ، تعتبر ركائز السيراميك SI3N4 أفضل مواد من السيراميك مع خصائص ممتازة مثل الصلابة العالية ، والقوة الميكانيكية العالية ، ومقاومة درجة الحرارة العالية والاستقرار الحراري ، وانخفاض ثابت العزل الكهربائي وفقدان العزل الكهربائي ، ومقاومة التآكل ومقاومة التآكل. في الوقت الحاضر ، يتم تفضيله في عبوة وحدة IGBT ويحل محل ركائز السيراميك AL2O3 و ALN تدريجياً.

4.Silicon Carbide (SIC)

تُعرف Crystal SIC الفردي باسم مادة أشباه الموصلات من الجيل الثالث ، والتي تتمتع بمزايا فجوة النطاق الكبيرة ، والجهد العالي للفرق ، والتوصيل الحراري العالي وسرعة تشبع الإلكترون العالية.

عن طريق إضافة كمية صغيرة من BEO و B2O3 إلى SIC لزيادة مقاومتها ، ثم إضافة إضافات تلبيد المقابلة في درجة الحرارة فوق 1900 ℃ باستخدام تلبيد الضغط الساخن ، يمكنك إعداد كثافة أكثر من 98 ٪ من السيراميك الشديد. الموصلية الحرارية للسيراميك SIC مع نقاء مختلف تحضيرها بطرق وضافات مختلفة هي 100 ~ 490W/(M · K) في درجة حرارة الغرفة. نظرًا لأن الثابت العازلة للسيراميك SIC كبير جدًا ، فهو مناسب فقط للتطبيقات منخفضة التردد ، وهو غير مناسب للتطبيقات عالية التردد.

5. Beryllia (Beo)

BEO هي بنية Wurtzite والخلية هي الجهاز البلوري المكعب. الموصلية الحرارية عالية جدًا ، يمكن أن تصل جزء BEO الكتلة بنسبة 99 ٪ من السيراميك BEO ، في درجة حرارة الغرفة ، إلى الموصلية الحرارية (الموصلية الحرارية) 310W/(M · K) ، أي حوالي 10 أضعاف الموصلية الحرارية لسيراميك الطهارة Al2O3. ليس فقط قدرة نقل الحرارة المرتفعة للغاية ، ولكن لديها أيضًا فقدان عازلة منخفض وعزلان عازلة وخصائص عازلة وخصائص ميكانيكية ، هي المادة السيراميكية المفضلة في تطبيق الأجهزة والدوائر ذات الطاقة العالية التي تتطلب توصيلًا حراريًا عاليًا.

الشكل 5: التركيب البلوري من Beryllia

إن الموصلية الحرارية العالية وخصائص الخسارة المنخفضة لـ BEO لا مثيل لها حتى الآن من خلال مواد خزفية أخرى ، لكن BEO لديها أوجه قصور واضحة للغاية ، ومسحوقها سامة للغاية.

في الوقت الحاضر ، فإن مواد الركيزة الخزفية الشائعة الاستخدام في الصين هي أساسا AL2O3 و ALN و SI3N4. يمكن للركيزة الخزفية المصنوعة من تقنية LTCC دمج المكونات السلبية مثل المقاومات والمكثفات والمحاثات في الهيكل ثلاثي الأبعاد. على النقيض من دمج أشباه الموصلات ، والتي هي في المقام الأول الأجهزة النشطة ، فإن LTCC لديها إمكانات الأسلاك ذات الصلة ثلاثية الأبعاد عالية الكثافة.