I substrati ceramici sono ampiamente utilizzati in elettronica di potenza, imballaggi elettronici, microelettronica ibrida e moduli multi-chip a causa della loro eccellente conduttività termica e tenuta all'aria.L'ossido di alluminio è attualmente il materiale di substrato ceramico più utilizzato.elevata redditivitàIl suo processo di fabbricazione è maturo e a basso costo.circuiti a pellicola sottile, circuiti ibridi, componenti multi chip e moduli IGBT ad alta potenza, ed è attualmente il materiale di substrato ceramico più utilizzato.

Tipi di ceramiche di allumina

Le ceramiche di alluminio possono essere suddivise in due tipi in base alla loro purezza: tipo puro alto e tipo ordinario.

1 Alumina di alta purezza

Le ceramiche di allumina di alta purezza sono materiali ceramici con un contenuto di Al2O3 superiore al 99,9%.μm. Generalmente, il vetro fuso è prodotto per sostituire i crogioli di platino e la sua trasparenza e resistenza alla corrosione dei metalli alcali sono utilizzati come lampade al sodio;Può essere utilizzato come substrato di circuito integrato e materiale isolante ad alta frequenza nell'industria elettronica.

2 Ceramiche di allumina ordinaria

La ceramica di allumina ordinaria può essere classificata in 99 ceramiche, 95 ceramiche, 90 ceramiche, 85 ceramiche e altre varietà in base al diverso contenuto di Al2O3 (riferendosi a un contenuto di Al2O3 del 99%, 95%,90%La differenza principale è che la quantità di doping sul substrato è diversa. Più bassa è la quantità di doping, maggiore è la purezza del substrato.Le proprietà elettriche e meccaniche dei substrati ceramici di allumina di diverse purezza presentano alcune differenzeLe ceramiche di maggiore purezza hanno una costante dielettrica più elevata, una minore perdita dielettrica e una migliore liscezza del substrato.A volte anche quelli con un contenuto di Al2O3 dell'80% o del 75% sono classificati come serie di ceramiche di allumina ordinaria.

Tra questi, 99 materiali in ceramica allumina sono utilizzati per la fabbricazione di crogioli ad alta temperatura, tubi refrattari e materiali speciali resistenti all'usura, come cuscinetti in ceramica, guarnizioni in ceramica,e piastre di valvole dell'acqua;95 le ceramiche di allumina sono utilizzate principalmente come componenti resistenti alla corrosione e all'usura;A causa della frequente aggiunta di talco, le prestazioni elettriche e la resistenza meccanica di 85 ceramiche sono migliorate.e alcuni sono utilizzati come dispositivi di vuoto.La porcellana 75 e la porcellana 95 sono materiali ceramici ampiamente utilizzati per i substrati dei circuiti a pellicola spessa e i substrati ceramici per i circuiti a pellicola sottile sono per lo più 97 o 99 porcellane.

Le prestazioni principali dei substrati di allumina aumentano con l'aumento del contenuto di allumina, ma più alto è il contenuto di allumina, più è difficile preparare la ceramica.95 ceramiche sono generalmente cotte a temperature superiori a 1500 °C.La temperatura di cottura di 99 porcellane supera i 1700 °C.

In base al colore, ci sono tre tipi di substrati ceramici di allumina: bianco, viola e nero.Il substrato comune di ossido di alluminio è bianco, utilizzato per i substrati a LED, i substrati dei circuiti ad alta frequenza, ecc.alcune applicazioni richiedono di evitare il riflesso della luce dal substrato di ossido di alluminio, con conseguente formazione di prodotti di ossido di alluminio nero.

I vantaggi dei substrati ceramici di allumina

● Buone prestazioni di isolamento: i substrati in ceramica di ossido di alluminio hanno buone prestazioni di isolamento, che possono isolare efficacemente i circuiti ed evitare guasti causati da perdite e altri problemi.

eccellente resistenza alle alte temperature: il substrato ceramico di allumina può mantenere prestazioni stabili in ambienti ad alta temperatura, resistere a un funzionamento a lungo termine in ambienti ad alta temperatura,e non è facile da deformare, bruciare o ossidare.

● Alta resistenza e durezza: i substrati in ceramica di ossido di alluminio hanno una elevata resistenza e durezza, resistono a determinate pressioni meccaniche e a forze d'urto e non si rompono o si usurpano facilmente.

Eccellente stabilità chimica: il substrato ceramico di allumina ha una buona resistenza alla corrosione alla maggior parte dei prodotti chimici e può funzionare in modo stabile in ambienti chimicamente aggressivi.

● Buone prestazioni di lavorazione: il substrato ceramico allumina ha buone prestazioni di lavorazione, che possono essere utilizzati per la perforazione, la fresatura, il taglio e altri processi di lavorazione,e può ottenere forme geometriche complesse e requisiti dimensionali di alta precisione.La lavorazione dei circuiti può essere basata sulla tecnologia della litografia a film sottile, con una precisione che raggiunge il livello del micrometro.A causa della loro costante dielettrica più elevata rispetto ai substrati generali di PCB, i dispositivi progettati hanno una dimensione ridotta, il che ha vantaggi significativi nella tendenza di sviluppo della miniaturizzazione di vari moduli componenti.

Applicazione di substrato ceramico di allumina

1 Substrati in ceramica per resistori a chip

I vantaggi dei substrati di ceramica di allumina resistente sono: piccole dimensioni, peso leggero, basso coefficiente di espansione termica, buona affidabilità, elevata conduttività termica e densità,migliorando notevolmente l'affidabilità dei circuiti e la densità del cablaggioÈ un materiale portante per componenti resistenti a chip.

2 Substrati ceramici per circuiti integrati ibridi

Un circuito integrato ibrido è un metodo di imballaggio che dovrebbe contenere almeno due o più componenti, di cui uno attivo.Installate su lastre isolanti di nastro metallico già realizzate con pellicole spesse o sottili, i circuiti complessi fabbricati con questa tecnologia sono chiamati circuiti integrati ibridi.Il substrato funge da supporto meccanico per il circuito, fornendo un sito di deposizione per il materiale della banda di conduzione, il materiale dielettrico e il materiale di resistenza che formano componenti passivi.Fornisce anche il supporto meccanico per tutti i componenti passivi e attivi del chip.

Nei circuiti integrati ibridi, i substrati comunemente utilizzati includono ossido di alluminio, ossido di berilio, ossido di silicio, nitruro di alluminio, ecc. Tuttavia, considerando il costo e le prestazioni,sono ancora ampiamente utilizzati substrati di ossido di alluminio di alta purezza con superfici lisce.A causa dei diversi livelli di contenuto di ossido di alluminio, la qualità e il grado del substrato variano anche.Il primo è generalmente adatto per i circuiti a film sottile, mentre per i circuiti a pellicola spessa, il substrato di ossido di alluminio al 96% può soddisfare i requisiti del processo.Le ceramiche di ossido di alluminio per la cottura a più strati utilizzano generalmente lamiere di ceramica grezze di ossido di alluminio tra 90 e 95 porcellane come materiale di base.

3 Substrato del dispositivo di alimentazione

Per l'imballaggio di dispositivi elettronici di potenza, oltre alle funzioni di cablaggio di base (interconnessione elettrica), il substrato richiede anche elevata conduttività termica, isolamento, resistenza al calore,resistenza alla tensione, e prestazioni di abbinamento termico.I substrati ceramici metallizzati rappresentati da DBC e DPC hanno prestazioni superiori in conducibilità termica, isolamento, resistenza alla tensione e resistenza al calore,e sono diventati i materiali preferiti per l'imballaggio dei dispositivi di potenza, acquisendo gradualmente riconoscimento sul mercato.Il materiale di substrato più comune per l'imballaggio dei dispositivi è il substrato di allumina (Al2O3), che è generalmente un substrato di allumina con un contenuto di allumina del 96%.La tecnologia del substrato di allumina è molto matura e conveniente.

A causa della relativamente bassa conduttività termica delle ceramiche di allumina (20-30 W/m · K) e della scarsa adesione dei coefficienti di espansione termica con materiali semiconduttori come il Si e il SiC,l'applicazione di substrati di allumina nei dispositivi ad alta potenza è limitata.

4 Substrato ceramico di ossido di alluminio per LED

Il substrato di dissipazione del calore LED ad alta potenza è composto principalmente da substrati ceramici.I substrati ceramici ad alta potenza più comunemente utilizzati sul mercato sono i LTCC (ceramica coccitata a bassa temperatura) e i DPC (ceramica direttamente placcata in rame), con materiali ceramici quali allumina e nitruro di alluminio.I substrati ceramici di ossido di alluminio per LED presentano caratteristiche di elevata dissipazione del calore e di elevata tenuta all'aria, che possono migliorare l'efficienza luminosa e la durata di vita dei LED.E la sua buona tenuta all'aria le conferisce un elevato grado di resistenza alle intemperie, rendendola adatta a vari ambienti.