Công nghệ vi sóng - Chất nền gốm tần số cao cho bao bì điện tử

Chất nền gốm tần số cao (còn được gọi là bảng mạch gốm) có tính dẫn nhiệt cao, chịu nhiệt tốt, hệ số giãn nở nhiệt thấp, độ bền cơ học cao, cách nhiệt tốt, chống ăn mòn và chống bức xạ. Nó đã được sử dụng rộng rãi trong việc đóng gói các thiết bị điện tử.

Thế hệ đầu tiên của chất bán dẫn, được đại diện bởi các vật liệu silicon (Si) và germanium (Ge), chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực hoạt động dữ liệu, đặt nền móng cho ngành công nghiệp vi điện tử. Các chất bán dẫn thế hệ thứ hai, được đại diện bởi GaAs và InP, chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực truyền thông để sản xuất vi sóng hiệu suất cao, sóng milimet và các thiết bị phát sáng, đặt nền móng cho ngành công nghiệp thông tin. Với sự phát triển của công nghệ và sự mở rộng liên tục của nhu cầu ứng dụng, những hạn chế của cả hai dần dần được phản ánh, khó đáp ứng các yêu cầu của tần số cao, nhiệt độ cao, công suất cao, hiệu quả năng lượng cao, chống lại môi trường khắc nghiệt và thu nhỏ trọng lượng nhẹ.

Vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba được đại diện bởi silicon carbide (SiC) và gallium nitride (GaN) được đặc trưng bởi khoảng cách dải lớn, điện áp phá vỡ tới hạn cao, độ dẫn nhiệt cao và tốc độ trôi bão hòa của tàu sân bay. Các thiết bị điện tử được làm từ chúng có thể hoạt động ổn định ở nhiệt độ 300 ° C hoặc thậm chí cao hơn (còn được gọi là chất bán dẫn công suất hoặc chất bán dẫn nhiệt độ cao). Nó là "lõi" của các thiết bị như nguồn sáng trạng thái rắn (như LED), laser (LD), thiết bị điện tử công suất (như IGBT), quang điện tập trung (CPV), tần số vô tuyến vi sóng (RF), v.v. Có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực chiếu sáng bán dẫn, điện tử ô tô, truyền thông di động thế hệ mới (5G), ô tô năng lượng mới và năng lượng mới, giao thông đường sắt cao tốc, điện tử tiêu dùng, v.v. Có triển vọng đột phá cổ chai của công nghệ bán dẫn truyền thống, hình thành bổ sung cho công nghệ bán dẫn thế hệ thứ nhất và thứ hai. Với giá trị ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực thiết bị quang điện tử, điện tử điện, điện tử ô tô, hàng không vũ trụ và khoan Thâm Lương, nó sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải, chuyển đổi và nâng cấp công nghiệp và sự ra đời của điểm tăng trưởng kinh tế mới.

Với sự phát triển liên tục của các thiết bị công suất bao gồm LED, LD, IGBT, CPV, v.v., tản nhiệt đã trở thành một công nghệ quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy của thiết bị. Đối với các thiết bị điện tử, nhiệt độ tăng 10 ° C điển hình có thể làm giảm tuổi thọ của thiết bị từ 30 đến 50%. Do đó, việc lựa chọn vật liệu và quy trình đóng gói phù hợp, cải thiện khả năng tản nhiệt của thiết bị và trở thành nút cổ chai công nghệ cho sự phát triển của thiết bị điện. Lấy gói LED công suất cao làm ví dụ, 70%~80% công suất đầu vào được chuyển thành nhiệt (chỉ khoảng 20%~30% thành năng lượng ánh sáng), diện tích chip LED nhỏ và mật độ công suất thiết bị lớn (hơn 100W/cm2). Do đó, tản nhiệt trở thành một vấn đề quan trọng cần được giải quyết trong gói LED công suất cao. Nếu chip nóng không sản xuất kịp thời và tản nhiệt, rất nhiều nhiệt sẽ thu thập bên trong đèn LED, nhiệt độ tiếp xúc của chip sẽ dần dần tăng lên, một mặt ảnh hưởng đến hiệu suất của đèn LED (như hiệu quả phát sáng thấp hơn, dịch chuyển đỏ bước sóng, v.v.), mặt khác cũng sẽ tạo ra ứng suất nhiệt bên trong thiết bị LED, gây ra một loạt các vấn đề về độ tin cậy (như tuổi thọ, thay đổi nhiệt độ, v.v.).

Chất nền đóng gói chủ yếu sử dụng độ dẫn nhiệt cao của vật liệu, sản lượng nhiệt của chip (nguồn nhiệt) để đạt được trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài. Đối với các thiết bị bán dẫn điện, chất nền đóng gói phải đáp ứng các yêu cầu sau:

(1) Độ dẫn nhiệt cao. Hiện tại, các thiết bị bán dẫn điện được đóng gói bằng cách tách nhiệt điện. Hầu hết nhiệt do thiết bị tạo ra được truyền qua chất nền đóng gói. Một lớp lót có độ dẫn nhiệt tốt có thể ngăn chặn chip khỏi tổn thương nhiệt.

(2) Phù hợp với hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu chip. Bản thân chip điện có thể chịu được nhiệt độ cao và dòng điện, môi trường và điều kiện làm việc sẽ thay đổi nhiệt độ của nó. Vì chip được gắn trực tiếp trên bề mặt gói, việc kết hợp hệ số giãn nở nhiệt có thể làm giảm ứng suất nhiệt z của chip và cải thiện độ tin cậy của thiết bị.

(3) Khả năng chịu nhiệt tốt, đáp ứng yêu cầu sử dụng nhiệt độ cao của thiết bị điện, có độ ổn định nhiệt tốt.

(4) cách nhiệt tốt, có thể đáp ứng các yêu cầu của kết nối điện và cách nhiệt thiết bị.

(5) Độ bền cơ học cao, đáp ứng các yêu cầu về độ bền của quá trình chế biến, đóng gói và ứng dụng thiết bị.

(6) Giá phù hợp cho sản xuất và ứng dụng quy mô lớn.

Hiện nay, các chất nền đóng gói điện tử thường được sử dụng có thể được chia thành chất nền polymer, chất nền kim loại (bảng mạch lõi kim loại, MCPCB) và chất nền gốm. Đối với gói thiết bị điện, chất nền gói không chỉ có chức năng định tuyến cơ bản (kết nối điện), mà còn có yêu cầu cao về độ dẫn nhiệt, chịu nhiệt, cách nhiệt, độ bền và hiệu suất phù hợp với nhiệt. Do đó, việc sử dụng chất nền polymer như PCB và chất nền kim loại như MCPCB là rất hạn chế; Bản thân vật liệu gốm có độ dẫn nhiệt cao, chịu nhiệt tốt, cách nhiệt cao, độ bền cao và hiệu suất phù hợp với nhiệt của vật liệu chip, rất phù hợp với chất nền gốm tần số cao cho các thiết bị điện, đã được sử dụng rộng rãi trong chiếu sáng bán dẫn, truyền thông laser và quang học, hàng không vũ trụ, điện tử ô tô, khoan sâu và các lĩnh vực khác.