SiC-Keramiken haben starke kovalente Bindungseigenschaften und sind schwer zu sintern
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SiC-Keramiken haben starke kovalente Bindungseigenschaften und sind schwer zu sintern
In den 1980er Jahren begannen einige Industrieländer mit der Erforschung und Entwicklung von AlN-Keramiksubstraten, wobei Japan weltweit führend war. In Japan gibt es noch immer viele Unternehmen, die AlN-Keramiksubstrate erforschen und produzieren, wie beispielsweise Keito, Nippon Special Ceramics, Sumitomo Metal Industries, Fujitsu, Toshiba und Nippon Electric. Der wichtigste Rohstoff zur Herstellung von AlN-Keramiken, AlN-Pulver, weist komplexe Herstellungsprozesse, einen hohen Energieverbrauch, lange Zyklen und hohe Preise auf. Die hohen Kosten schränken die weit verbreitete Anwendung von AlN-Keramiken ein, sodass AlN-Keramiksubstrate derzeit hauptsächlich in High-End-Industrien verwendet werden [4].
1.3 Si3N4-Keramiksubstrat
Si3N4 hat drei Kristallstrukturen, nämlich die Xiang-Xianghe-Phase, von denen die Xianghe-Phase die häufigste Form von Si3N4 ist, nämlich eine hexagonale Struktur. Si3N4 hat viele hervorragende Eigenschaften, wie hohe Härte, hohe Festigkeit, niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, geringes Kriechen bei hohen Temperaturen, gute Oxidationsbeständigkeit, gute thermische Korrosionsbeständigkeit und niedrigen Reibungskoeffizienten. Die theoretische Wärmeleitfähigkeit von einkristallinem Siliziumnitrid kann 400W/(m · K) erreichen, was das Potenzial hat, ein Substrat mit hoher Wärmeleitfähigkeit zu werden. Darüber hinaus beträgt der Wärmeausdehnungskoeffizient von Si3N4 etwa 3,0 × 10-6 Grad, was gut zu Materialien wie Si, SiC und GaAs passt, was Si3N4-Keramik zu einem attraktiven Substratmaterial für elektronische Geräte mit hoher Festigkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit macht [4].
Allerdings weist die dielektrische Leistung von Si3N4-Keramiken eine etwas schlechte Qualität auf (mit einer Dielektrizitätskonstante von 8,3 und einem dielektrischen Verlust von 0.001~0,1) und die Produktionskosten sind ebenfalls hoch, was ihre Anwendung als Keramiksubstrat für elektronische Verpackungen einschränkt.
1.4 SiC-Keramiksubstrate
Die Wärmeleitfähigkeit von SiC-Keramiken ist sehr hoch und liegt bei hohen Temperaturen zwischen 100 und 400 W/(m·k), was dem 13-fachen von Al2O3 entspricht. Sie hat eine gute antioxidative Wirkung, Zersetzungstemperatur über 2500 Grad, kann immer noch in einer oxidierenden Atmosphäre bei 1600 Grad verwendet werden. Darüber hinaus hat sie eine gute elektrische Isolierung und einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als Al2O3 und AlN. SiC-Keramiken haben starke kovalente Bindungseigenschaften und sind schwer zu sintern. Normalerweise wird eine kleine Menge Bor oder Aluminiumoxid als Sinterhilfe hinzugefügt, um die Dichte zu verbessern. Experimente haben gezeigt, dass Beryllium, Bor, Aluminium und ihre Verbindungen die wirksamsten Zusatzstoffe sind, die die Dichte von SiC-Keramiken auf über 98 % erhöhen können [3].
Allerdings ist die Dielektrizitätskonstante von SiC zu hoch (viermal so hoch wie die von AlN) und seine Druckfestigkeit ist gering, sodass es nur für Verpackungen mit geringer Dichte und nicht für Verpackungen mit hoher Dichte geeignet ist. Neben integrierten Schaltkreiskomponenten, Array-Komponenten und Laserdioden wird es auch für leitfähige Strukturteile verwendet.
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