Comme nous le savons tous, la chaleur générée par le fonctionnement des dispositifs semi-conducteurs est le facteur clé qui provoque la défaillance des dispositifs semi-conducteurs, et la conductivité thermique du substrat isolant électrique est la clé de la dissipation thermique de l'ensemble du dispositif semi-conducteur. De plus, en raison de l'environnement mécanique complexe tel que les chocs et les vibrations, le matériau du substrat avec une certaine fiabilité mécanique est également requis. La céramique au nitrure de silicium est plus équilibrée à tous égards et constitue un matériau céramique structurel offrant les meilleures performances globales. Par conséquent, le nitrure de silicium Si3N4 a une forte compétitivité dans le domaine de la fabrication de substrats céramiques pour les dispositifs électroniques de puissance.
Dans le passé, le substrat de circuit était une combinaison de composants séparés ou de circuits intégrés et de composants discrets pour former un matériau plat qui répond aux exigences de la fonction globale du circuit. Il ne nécessite que l'isolation électrique et la conductivité. Après être entrés dans l'ère de l'information intelligente, les appareils électroniques de puissance doivent également pouvoir convertir et contrôler l'énergie électrique, ce qui améliore considérablement les exigences de performance de contrôle électrique et de conversion de puissance et la consommation d'énergie de fonctionnement des appareils. En conséquence, les substrats ordinaires ne peuvent plus répondre aux exigences élevées de réduction de la résistance thermique des dispositifs de puissance complexes, de contrôle de la température de fonctionnement et de fiabilité, un substrat avec de meilleures performances doit être remplacé et un nouveau type de substrat en céramique de puissance est apparu.
Sur la base des exigences de performance des dispositifs électroniques pour les substrats en céramique, le matériau du substrat doit avoir les propriétés suivantes :
1. Bonne isolation et résistance à la panne électrique ;
2. Conductivité thermique élevée : la conductivité thermique affecte directement les conditions de fonctionnement et la durée de vie des semi-conducteurs, et la répartition inégale du champ de température causée par une mauvaise dissipation thermique augmentera également considérablement le bruit des appareils électroniques ;
3. Le coefficient de dilatation thermique correspond aux autres matériaux utilisés dans l'emballage ;
4. Bonnes caractéristiques à haute fréquence : faible constante diélectrique et faible perte diélectrique ;
5. La surface est lisse et l'épaisseur est uniforme : il est commode d'imprimer le circuit sur la surface du substrat, et d'assurer l'épaisseur uniforme du circuit imprimé.
À l'heure actuelle, les matériaux de substrat céramique les plus largement utilisés sont principalement l'oxyde d'aluminium Al2O3 et le nitrure d'aluminium AlN. Comment le nitrure de silicium se compare-t-il à leurs performances ? Le tableau suivant est la comparaison de base des performances des trois substrats céramiques. On peut voir que les matériaux céramiques au nitrure de silicium présentent des avantages évidents, en particulier les performances de résistance à haute température des matériaux céramiques au nitrure de silicium dans des conditions de température élevée, l'inertie chimique vis-à-vis des métaux et des propriétés mécaniques ultra-élevées telles que la dureté et la ténacité à la rupture.
OBJET | UNITÉ | Si3N4 | AIN | Al2O3 |
Résistance à la flexion | MPa | 600 | 350 | 400 |
Résistance à la fracture | Mpa·m1/2 | 6.0 | 2.7 | 3.0 |
Conductivité thermique | W/m.K | 80 | 180 | 25 |
Capacité de charge actuelle | A | & gt;300 | 100-300 | & lt;100 |
Résistance thermique | ℃/W | & lt;0,5 (0,5 mm Cu) | & lt;0,5 (0,3 mm de cuivre) | & gt;1.0 (0,3 mm de cuivre) |
Fiabilité* | Temps | & gt;5,000 | 200 | 300 |
Coût | - | Haute | Haute | Faible |
* Le test de fiabilité est le nombre de fois que le matériau n'est pas endommagé dans des conditions de -40 degrés Celsius à 150 degrés Celsius.
Le nitrure de silicium étant si excellent, pourquoi y a-t-il encore moins d'applications sur le marché et où sont ses opportunités de développement ? En fait, les trois matériaux ont leurs propres avantages et inconvénients. Par exemple, bien que l'alumine ait une faible conductivité thermique et ne puisse pas suivre la tendance de développement des semi-conducteurs de haute puissance, son processus de fabrication est mature et peu coûteux, et il existe toujours une forte demande dans les domaines bas de gamme et milieu de gamme. . Le nitrure d'aluminium a la meilleure conductivité thermique et s'accorde bien avec les matériaux semi-conducteurs. Il peut être utilisé dans les industries haut de gamme, mais les propriétés mécaniques sont médiocres, ce qui affecte la durée de vie des dispositifs à semi-conducteurs et a un coût d'utilisation plus élevé. Le nitrure de silicium a les meilleures performances en termes de performances globales, mais la barrière à l'entrée est élevée. À l'heure actuelle, de nombreux instituts de recherche et entreprises chinois étudient, mais la technologie est difficile, le coût de production est élevé et le marché est petit, de sorte que les applications à grande échelle ne sont pas encore apparues. C'est la raison pour laquelle de nombreuses entreprises attendent toujours de voir et ne se sont pas encore décidées à augmenter leurs investissements. Cependant, la situation est différente maintenant, car le monde est entré dans une période critique pour le développement de la troisième génération de semi-conducteurs. Les substrats de circuits céramiques en nitrure de silicium ont fait mûrir des produits aux États-Unis et au Japon. La Chine a un long chemin à parcourir dans ce domaine. Il y a un chemin à parcourir. Avec le développement de la technologie et l'augmentation de la demande du marché, UNIPRETEC pense qu'il y aura de plus en plus de résultats qui peuvent être montrés.
