Les trois principaux atouts des céramiques AlN : conductivité thermique, correspondance du coefficient de dilatation thermique, valeur du système (isolation)

La céramique n'est pas un matériau nouveau. Substrat céramique AlN a fait ses preuves commercialement depuis de nombreuses années dans les modules IGBT, les LED haute puissance et les modules de puissance ; la forte densité de puissance apportée par le calcul IA ne fait qu'amplifier sa valeur. En tant que catégorie clé de matériaux d'emballage avancés en nitrure d'aluminiumLes substrats céramiques AlN ont une limite de performance étroitement liée à leur pureté, à leur teneur en oxygène et au processus de frittage. poudre de nitrure d'aluminium haut de gamme.

Premier atout — Conductivité thermique : Les substrats cuits à partir de poudre de nitrure d’aluminium peuvent atteindre 170–230 W/(m·K), soit des centaines de fois celle du FR-4. Dans des structures telles que les modules de puissance où la puce est directement montée sur un substrat en céramique, la première étape d’extraction de chaleur de la puce repose généralement sur cette base électriquement isolante proche de la jonction.

Deuxième atout — Adaptation du coefficient de dilatation thermique : le coefficient de dilatation thermique de l’AlN est d’environ 4,5 ppm/°C, du même ordre de grandeur que celui du silicium (environ 3 ppm/°C, avec de légères variations selon la plage de température). Ceci réduit considérablement les contraintes interfaciales et le risque de fissuration des joints de soudure lors des cycles thermiques ; la fiabilité réelle dépend toutefois du matériau de soudure, de la géométrie de la structure et du profil de température.

Troisième point fort — Valeur ajoutée du système : chaque petite réduction de la résistance thermique de la base de dissipation de chaleur se traduit par une diminution de la limitation de fréquence pour les puces haute puissance. La valeur ajoutée apportée par AlN à haute conductivité thermique Il s'agit de la valeur de calcul « à pleine performance », et non d'une simple différence de coût des matériaux. Bien entendu, ce gain dépend de l'effet combiné de la courbe de consommation de la puce, du système de refroidissement et de la stratégie de limitation de fréquence ; il ne peut être déterminé par une seule couche de matériau.

En conséquence, dans certaines évaluations de puissance/d'emballage avancé, et sur la base d'un cadre analytique spécifique, la répartition de la valeur pour substrat céramique en nitrure d'aluminium et substrat électronique en céramique L'optimisation thermique représente environ 60 % et l'optimisation de l'intégrité du signal environ 40 %. Ceci explique également pourquoi les clients spécifient « faibles pertes, faible constante diélectrique » dans leurs schémas et spécifications : l'AlN possède une constante diélectrique d'environ 8 à 9 avec des pertes extrêmement faibles, assurant une isolation électrique stable et un environnement à faibles interférences dans les boîtiers et les structures de support. Cependant, la « faible constante diélectrique » est ici principalement relative aux céramiques telles que l'alumine ; l'AlN n'est pas un matériau à très faible constante diélectrique.

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