Tecnologia RF - Substrato ceramico ad alta frequenza per imballaggio elettronico

Il substrato ceramico ad alta frequenza (noto anche come circuito stampato ceramico) ha le caratteristiche di alta conducibilità termica, buona resistenza termica, basso coefficiente di espansione termica, alta resistenza meccanica, buon isolamento, resistenza alla corrosione, resistenza alle radiazioni e così via ed è stato ampiamente utilizzato nell'imballaggio dei dispositivi elettronici.

La prima generazione di semiconduttori, rappresentati da materiali di silicio (Si) e germanio (Ge), è stata applicata principalmente nel campo del funzionamento dei dati, che ha gettato le basi dell'industria microelettronica. I semiconduttori di seconda generazione, rappresentati da GaAs e InP, sono utilizzati principalmente nel campo della comunicazione e sono utilizzati per realizzare microonde ad alte prestazioni, millimetri e dispositivi ad emissione luminosa, ponendo le basi dell'industria dell'informazione. Con lo sviluppo della tecnologia e l'estensione continua delle esigenze applicative, i limiti dei due si riflettono gradualmente ed è difficile soddisfare i requisiti di alta frequenza, alta temperatura, alta potenza, alta efficienza energetica, resistenza ambientale dura e miniaturizzazione leggera.

I materiali semiconduttori di terza generazione rappresentati dal carburo di silicio (SiC) e dal nitruro di gallio (GaN) hanno le caratteristiche del grande intervallo di banda, alta tensione critica di rottura, alta conducibilità termica, alta velocità di deriva di saturazione del vettore e così via. I dispositivi elettronici da essi realizzati possono lavorare stabilità a 300°C o anche temperature più elevate (noti anche come semiconduttori di potenza o semiconduttori ad alta temperatura). È il "nucleo" della sorgente luminosa a stato solido (come LED), laser (LD), elettronica di potenza (come IGBT), fotovoltaico focalizzato (CPV), radiofrequenza a microonde (RF) e altri dispositivi. Ha ampie prospettive di applicazione nell'illuminazione a semiconduttore, nell'elettronica automobilistica, nella nuova generazione di comunicazioni mobili (5G), nella nuova energia e nei nuovi veicoli energetici, nel transito ferroviario ad alta velocità, nell'elettronica di consumo e in altri campi. Si prevede che sfondi il collo di bottiglia della tecnologia tradizionale a semiconduttori e integri la tecnologia a semiconduttori di prima e seconda generazione. Ha un importante valore applicativo in dispositivi optoelettronici, elettronica di potenza, elettronica automobilistica, aerospaziale, perforazione profonda e altri campi e giocherà un ruolo importante nella conservazione dell'energia e nella riduzione delle emissioni, nella trasformazione industriale e nell'aggiornamento e nella nascita di nuovi punti di crescita economica.

Con il continuo sviluppo di dispositivi di alimentazione (inclusi LED, LD, IGBT, CPV, ecc.), la dissipazione del calore è diventata una tecnologia chiave che influisce sulle prestazioni e l'affidabilità del dispositivo. Per i dispositivi elettronici, l'aumento tipico della temperatura di 10 ° C riduce la durata del dispositivo dal 30% al 50%. Pertanto, la selezione di materiali e tecnologie di imballaggio appropriati e il miglioramento della capacità di dissipazione del calore del dispositivo diventano il collo di bottiglia tecnico dello sviluppo di dispositivi di alimentazione. Prendendo ad esempio l'imballaggio LED ad alta potenza, il 70% ~ 80% della potenza in ingresso viene convertito in calore (solo circa il 20% ~ 30% è convertito in energia luminosa), l'area del chip LED è piccola e la densità di potenza del dispositivo è grande (più di 100 W / cm2). Pertanto, la dissipazione del calore diventa un problema chiave da risolvere in imballaggi LED ad alta potenza. Se non l'esportazione e la dissipazione tempestiva della febbre del chip, molto calore si raccoglierà nel LED all'interno, la temperatura della giunzione del chip aumenterà gradualmente, da un lato, la prestazione del LED (come l'efficienza luminosa più bassa, lo spostamento rosso della lunghezza d'onda, ecc.), dall'altro, produrrà lo stress termico all'interno del dispositivo del LED, causare una serie di problemi di affidabilità (come durata, cambiamento di temperatura, ecc.).

Il substrato di imballaggio utilizza principalmente l'alta conducibilità termica del materiale stesso per esportare il calore dal chip (fonte di calore) e realizzare lo scambio termico con l'ambiente esterno. Per i dispositivi a semiconduttore di potenza, il substrato di imballaggio deve soddisfare i seguenti requisiti:

(1) Alta conducibilità termica. Attualmente, i dispositivi a semiconduttore di potenza sono imballati con separazione termoelettrica. La maggior parte del calore generato dai dispositivi viene trasmesso attraverso il substrato di imballaggio. Il substrato con buona conducibilità termica può impedire il chip da danni termici.

(2) Abbinamento con il coefficiente di espansione termica del materiale del chip. Il chip stesso del dispositivo di alimentazione può resistere alle alte temperature e la corrente, l'ambiente e le condizioni di lavoro cambieranno la sua temperatura. Poiché il chip è montato direttamente sul substrato di imballaggio, la corrispondenza del coefficiente di espansione termica può ridurre lo stress termico del chip e migliorare l'affidabilità del dispositivo.

(3) Buona resistenza al calore, soddisfa i requisiti di uso ad alta temperatura dei dispositivi di potenza, con buona stabilità termica.

(4) Buon isolamento, per soddisfare i requisiti di interconnessione elettrica e isolamento dei dispositivi.

(5) Alta resistenza meccanica, soddisfa i requisiti di resistenza dell'elaborazione del dispositivo, dell'imballaggio e del processo di applicazione.

(6) Il prezzo è adatto per la produzione di massa e l'applicazione.

Attualmente, i substrati elettronici di imballaggio comunemente usati possono essere suddivisi in substrati polimerici, substrati metallici (scheda di circuito del nucleo metallico, MCPCB) e substrati ceramici. Per l'imballaggio del dispositivo di alimentazione, il substrato dell'imballaggio non solo ha la funzione di cablaggio di base (interconnessione elettrica), ma richiede anche alta conducibilità termica, resistenza al calore, isolamento, resistenza e prestazioni di corrispondenza del calore. Pertanto, l'uso di substrato polimerico (come PCB) e substrato metallico (come MCPCB) è molto limitato; Il materiale ceramico stesso ha alta conducibilità termica, buona resistenza al calore, alto isolamento, alta resistenza e prestazioni di corrispondenza termica del materiale del chip, è molto adatto per il substrato ceramico ad alta frequenza del dispositivo di alimentazione, è stato ampiamente usato nell'illuminazione a semiconduttore, nella comunicazione laser e ottica, nell'aerospaziale, nell'elettronica automobilistica, nella perforazione in acque profonde e in altri campi.