Kā mēs visi zinām, siltums, ko rada pusvadītāju ierīču darbība, ir galvenais faktors, kas izraisa pusvadītāju ierīču atteici, un elektriskā izolācijas substrāta siltumvadītspēja ir atslēga uz kopējās pusvadītāju ierīces siltuma izkliedi. Turklāt, pateicoties sarežģītajām mehāniskajām vidēm, piemēram, izciļņiem un vibrācijām, ir nepieciešams arī substrāta materiāls ar noteiktu mehānisko uzticamību. Silīcija nitrīda keramika ir līdzsvarotāka visos aspektos, un tā ir strukturāli keramikas materiāli ar vislabāko vispārējo veiktspēju. Tāpēc Si3N4 silīcija nitrīdam ir spēcīga konkurētspēja keramikas substrātu ražošanas jomā jaudas elektroniskajām ierīcēm.
Agrāk shēmas substrāts ir atsevišķu komponentu vai integrālās shēmas un diskrētu komponentu kombinācija, lai izveidotu plakanu materiālu, kas atbilst vispārējās shēmas funkcijas prasībām. Tam ir nepieciešama tikai elektriskā izolācija un vadītspēja. Pēc ieiešanas inteliģentās informācijas laikmetā ir nepieciešamas arī jaudas elektroniskās ierīces, lai varētu pārveidot un kontrolēt elektroenerģiju, kas ievērojami uzlabo elektrisko vadības un jaudas pārveidošanas veiktspējas prasības un ierīču ekspluatācijas enerģijas patēriņu. Attiecīgi parastie substrāti vairs neatbilst augstajām prasībām samazināt sarežģītu jaudas ierīču termisko pretestību, kontrolēt darba temperatūru un nodrošināt uzticamību, jānomaina substrāts ar labāku veiktspēju, un ir izveidojies jauna veida jaudas keramikas substrāts.
Pamatojoties uz keramikas substrātu elektronisko ierīču veiktspējas prasībām, substrāta materiālam jābūt ar šādām īpašībām:
1. Laba izolācija un izturība pret elektrisko bojājumu;
2. Augsta siltuma vadītspēja: siltumvadītspēja tieši ietekmē pusvadītāju darbības apstākļus un kalpošanas laiku, un nevienmērīga temperatūras lauka sadale, ko izraisa slikta siltuma izkliede, arī ievērojami palielinās elektronisko ierīču troksni;
3. Termiskās izplešanās koeficients sakrīt ar citiem iepakojumā izmantotajiem materiāliem;
4. Labas augstfrekvences īpašības: zema dielektriskā konstante un zems dielektriskais zudums;
5. Virsma ir gluda un biezums ir vienmērīgs: ir ērti izdrukāt ķēdi uz pamatnes virsmas un nodrošināt vienmērīgu iespiedshēmas biezumu.
Pašlaik visplašāk izmantotie keramikas substrātu materiāli galvenokārt ir Al2O3 alumīnija oksīds un AlN alumīnija nitrīds. Kā silīcija nitrīds salīdzina ar to veiktspēju? Nākamajā tabulā ir sniegts trīs keramikas substrātu veiktspējas pamatnosaukumu salīdzinājums. Ir redzams, ka silīcija nitrīdu keramikas materiāliem ir acīmredzamas priekšrocības, jo īpaši silīcija nitrīdu keramikas materiālu augstā temperatūras izturība augstas temperatūras apstākļos, ķīmiskā inertitāte pret metāliem un īpaši augstas mehāniskās īpašības, piemēram, cietība un izturība pret lūzumiem.
Vienumu | vienība | Si3N4 | AlN (AlN) | Al2O3 (Al2O3) |
Lieces izturība | Mpa | 600 | 350 | 30W (30W) |
Izturība pret lūzumiem | Mpa·m1/2 | 6.0 | 2.7 | 3.0 |
Siltumvadītspēja | W/m.K | 80 | 180 | 25 |
Pašreizējā kravnesība | a | > 300 lpp. | 100-300 | <> |
Termiskā pretestība | °C/W | <> (0,5 mm Cu) | <> (0,3 mm Cu) | >1.0 (0,3 mm Cu) |
Uzticamība* | Laiks | >5 000 | 200 | 40W (40W) |
cena | - | augsts | augsts | zems |
* Uzticamības tests ir reižu skaits, kad materiāls nav bojāts -40 grādu pēc Celsija līdz 150 grādiem pēc Celsija stāvoklī.
Tā kā silīcija nitrīds ir tik lielisks, kāpēc joprojām ir mazāk lietojuma tirgū un kur ir tā attīstības iespējas? Faktiski trim materiāliem ir savas priekšrocības un trūkumi. Piemēram, lai gan alumīnija oksīdam ir slikta siltumvadītspēja un tas nevar sekot lieljaudas pusvadītāju attīstības tendencei, tā ražošanas process ir nobriedis un lēnās izmaksas, un joprojām ir liels pieprasījums zemas un vidējas klases jomās. Alumīnija nitrīdam ir vislabākā siltumvadītspēja un laba atbilstība pusvadītāju materiāliem. To var izmantot augstas klases nozarēs, bet mehāniskās īpašības ir sliktas, kas ietekmē pusvadītāju ierīču kalpošanas laiku un ir augstākas lietošanas izmaksas. Silīcija nitrīdam ir vislabākā veiktspēja kopējās veiktspējas ziņā, bet ieejas barjera ir augsta. Pašlaik daudzi vietējie pētniecības institūti un uzņēmumi Ķīnā mācās, bet tehnoloģija ir sarežģīta, ražošanas izmaksas ir augstas, un tirgus ir mazs, tāpēc liela mēroga lietojumi vēl nav parādījušies. Tas ir iemesls, kāpēc daudzi uzņēmumi joprojām gaida, lai redzētu, un nav izlēmuši palielināt ieguldījumus. Tomēr šobrīd situācija ir citāda, jo pasaule ir nonākusi kritiskā periodā trešās paaudzes pusvadītāju attīstībai. Silīcija nitrīda keramikas ķēdes substrāti ir nogatavojuši produktus Amerikas Savienotajās Valstīs un Japānā. Ķīnai šajā jomā vēl tāls ceļš ejams. Ir ceļš ejams. Līdz ar tehnoloģiju attīstību un tirgus pieprasījuma pieaugumu UNIPRETEC uzskata, ka būs arvien vairāk rezultātu, ko var parādīt.
