Technique RF - Substrats céramiques haute fréquence pour l'emballage électronique

Le substrat en céramique haute fréquence (également connu sous le nom de carte de circuit électrique en céramique) a une conductivité thermique élevée, une bonne résistance thermique, un faible coefficient de dilatation thermique, une résistance mécanique élevée, une bonne isolation, une résistance à la corrosion, une résistance aux radiations et d'autres caractéristiques qui ont été largement utilisées dans l'emballage de dispositifs électroniques.

La première génération de semi - conducteurs, représentée par des matériaux en silicium (si) et en Germanium (Ge), est principalement utilisée dans le domaine de l'informatique de données, jetant les bases de l'industrie de la microélectronique. La deuxième génération de semi - conducteurs, représentée par GaAs et INP, est principalement utilisée dans le domaine des communications pour la fabrication de dispositifs haute performance à micro - ondes, à ondes millimétriques et à émission de lumière, jetant les bases de l'industrie de l'information. Avec le développement de la technologie et l'extension continue des besoins d'application, les limites des deux se manifestent progressivement, il est difficile de répondre aux exigences de haute fréquence, haute température, haute puissance, haute efficacité énergétique, résistance aux environnements difficiles, miniaturisation légère.

Les matériaux semi - conducteurs de troisième génération, représentés par du carbure de silicium (sic) et du Nitrure de gallium (Gan), présentent des caractéristiques telles qu'une bande interdite importante, une tension critique de claquage élevée, une conductivité thermique élevée, une vitesse de dérive de saturation élevée des porteurs, etc. L'électronique qu'ils fabriquent peut fonctionner de manière stable à des températures allant jusqu'à 300 ° C ou plus (également appelées semi - conducteurs de puissance ou semi - conducteurs à haute température). C’est le « cœur » des sources de lumière à l’état solide (comme les LED), des lasers (LD), de l’électronique de puissance (comme les IGBT), du photovoltaïque focalisé (CPV), des radiofréquences micro - ondes (RF) et d’autres dispositifs. Il existe de vastes perspectives d'application dans les domaines de l'éclairage à semi - conducteurs, de l'électronique automobile, des communications mobiles de nouvelle génération (5G), des nouvelles énergies et des véhicules à énergie nouvelle, du transport ferroviaire à grande vitesse, de l'électronique grand public, etc. Il est prévu de briser le goulot d'étranglement de la technologie traditionnelle des semi - conducteurs et de former une complémentarité avec la technologie des semi - conducteurs de première et deuxième génération. Avec une valeur d'application importante dans les dispositifs optoélectroniques, l'électronique de puissance, l'électronique automobile, l'aérospatiale, le forage de puits profonds et d'autres domaines, il jouera un rôle important dans les économies d'énergie et la réduction des émissions, la transformation industrielle et la mise à niveau, la naissance d'un nouveau point de croissance économique, etc.

Avec l'évolution continue des dispositifs de puissance, y compris les LED, LD, IGBT, CPV, etc., la dissipation thermique est devenue une technologie clé qui affecte les performances et la fiabilité des dispositifs. Pour les appareils électroniques, une augmentation typique de la température de 10 ° C peut réduire la durée de vie de l'appareil de 30 à 50%. Par conséquent, le choix des matériaux et des technologies d'encapsulation appropriés, l'amélioration de la capacité de dissipation thermique du dispositif, devient un goulot d'étranglement technologique dans le développement des dispositifs de puissance. Prenons l'exemple de l'emballage LED haute puissance, 70% ~ 80% de la puissance d'entrée est convertie en chaleur (seulement environ 20% ~ 30% est convertie en énergie lumineuse), la puce LED a une petite surface et la densité de puissance du dispositif est élevée (plus de 100W / cm2). Par conséquent, la dissipation de chaleur devient un problème clé à résoudre pour les boîtiers LED haute puissance. Si la chaleur de la puce n'est pas produite et dissipée dans le temps, une grande quantité de chaleur s'accumulera à l'intérieur de la LED, la température de jonction de la puce augmentera progressivement, affectant d'une part les performances de la LED (telles que l'efficacité lumineuse inférieure, le décalage vers le rouge de la longueur d'onde, etc.), d'autre part, une contrainte thermique sera générée à l'intérieur du dispositif LED, Entraîne une série de problèmes de fiabilité (p. ex., durée de vie, variations de température, etc.).

Le substrat d'encapsulation utilise principalement la conductivité thermique élevée du matériau lui - même pour exporter la chaleur de la puce (source de chaleur), permettant un échange de chaleur avec l'environnement extérieur. Pour les dispositifs à semi - conducteurs de puissance, le substrat d'encapsulation doit répondre aux exigences suivantes:

(1) conductivité thermique élevée. Actuellement, les dispositifs semi - conducteurs de puissance utilisent un boîtier de séparation thermoélectrique. La majeure partie de la chaleur produite par le dispositif est transmise par le substrat d'encapsulation. Un substrat ayant une bonne conductivité thermique permet d'éviter des dommages thermiques à la puce.

(2) correspond au coefficient de dilatation thermique du matériau de la puce. La puce de dispositif de puissance elle - même peut résister à des températures élevées, et le courant, l'environnement et les conditions de travail modifient sa température. Comme la puce est montée directement sur le substrat d'encapsulation, l'adaptation du coefficient de dilatation thermique peut réduire la contrainte thermique Z de la puce et améliorer la fiabilité du dispositif.

(3) bonne résistance à la chaleur, répond aux exigences d'utilisation à haute température du dispositif de puissance, a une bonne stabilité thermique.

(4) bonne isolation pour répondre aux exigences d'interconnexion électrique et d'isolation de l'équipement.

(5) haute résistance mécanique pour répondre aux exigences de résistance du processus de traitement, d'emballage et d'application du dispositif.

(6) Le prix est approprié pour la production de masse et l'application.

Actuellement, les substrats d'encapsulation électronique couramment utilisés peuvent être divisés en substrats polymères, substrats métalliques (metal Core Circuit Board, mcpcb) et substrats céramiques. Pour l'encapsulation de dispositifs de puissance, les substrats d'encapsulation ont non seulement des fonctions de câblage de base (interconnexion électrique), mais également des exigences élevées en matière de conductivité thermique, de résistance thermique, d'isolation, de résistance et de propriétés d'adaptation thermique. L'utilisation de substrats polymères tels que les PCB et de substrats métalliques tels que les mcpcb est donc très limitée; Le Matériau céramique lui - même a une conductivité thermique élevée, une bonne résistance thermique, une isolation élevée, une résistance élevée et des propriétés d'adaptation thermique du matériau de la puce, idéal pour les substrats en céramique haute fréquence de dispositifs de puissance, il a été largement utilisé dans l'éclairage à semi - conducteur, les communications laser et optiques, l'aérospatiale, l'électronique automobile, le forage en mer profonde et d'autres domaines.