Avec l'essor et l'utilisation croissante des dispositifs de puissance, notamment des semi-conducteurs de troisième génération, ces derniers évoluent progressivement vers la haute puissance, la miniaturisation, l'intégration et la multifonctionnalité. Cela impose des exigences accrues en matière de performances des substrats d'encapsulation. Les substrats céramiques, caractérisés par une conductivité thermique élevée, une excellente résistance à la chaleur, un faible coefficient de dilatation thermique, une résistance mécanique élevée, une bonne isolation, une résistance à la corrosion et aux radiations, sont largement utilisés dans l'encapsulation des dispositifs électroniques.
Donc, entre nitrure d'aluminium (AlN) et le nitrure de silicium (Si₃N₄), qui est le matériau d’emballage le plus prometteur ?
Exigences relatives aux matériaux de substrat en céramique
1、Haute conductivité thermique pour répondre aux besoins de dissipation thermique.
2、Excellente résistance à la chaleur pour les applications à haute température (supérieure à 200°C).
3. Coefficient de dilatation thermique adapté pour réduire la contrainte thermique entre la puce et le substrat.
4. Faible constante diélectrique pour des performances haute fréquence, réduisant le retard du signal et améliorant la vitesse de transmission.
5、Haute résistance mécanique pour résister aux exigences mécaniques lors de l'emballage et de l'application.
6、Bonne résistance à la corrosion pour supporter les acides forts, les alcalis, l'eau bouillante et les solvants organiques.
7、Structure dense pour répondre aux exigences d'emballage hermétique des appareils électroniques.
Nitrure de silicium (Si₃N₄)
Les substrats céramiques Si₃N₄ présentent un module d'élasticité de 320 GPa, une résistance à la flexion de 920 MPa, un coefficient de dilatation thermique de seulement 3,2 × 10⁻⁶/°C et une constante diélectrique de 9,4. Ils présentent une dureté et une résistance élevées, une faible dilatation thermique et une excellente résistance à la corrosion.
Initialement, en raison de la structure cristalline complexe du Si₃N₄, responsable d'une importante diffusion des phonons, sa conductivité thermique était considérée comme faible (15–30 W/(m·K)), ce qui le rendait réservé à des applications telles que les billes de roulement et les composants structurels. Cependant, des recherches ultérieures ont révélé que cette faible conductivité thermique était principalement due à des défauts de réseau et à des impuretés, et il a été prédit que sa conductivité thermique théorique pourrait atteindre 320 W/(m·K). Des études ultérieures ont permis d'optimiser le procédé de fabrication, améliorant significativement la conductivité thermique des céramiques Si₃N₄, qui atteint désormais 177 W/(m·K).
De plus, comparé à d'autres matériaux céramiques, le Si₃N₄ présente des avantages exceptionnels, notamment dans les environnements à haute température, où il présente une excellente stabilité thermique, une inertie chimique vis-à-vis des métaux, une dureté et une ténacité à la rupture extrêmement élevées. La résistance à la flexion et la ténacité à la rupture des céramiques Si₃N₄ sont plus de deux fois supérieures à celles de l'AlN, ce qui confère aux substrats Si₃N₄ une fiabilité bien supérieure.
Nitrure d'aluminium (AlN)
L'AlN est l'un des rares matériaux qui combine une conductivité thermique élevée avec une excellente isolation électrique.
Ses avantages incluent :
Conductivité thermique élevée : à température ambiante, la conductivité thermique théorique peut atteindre 320 W/(m·K), soit 8 à 10 fois celle de la céramique d'alumine. En pratique, sa conductivité thermique peut atteindre 200 W/(m·K), ce qui facilite la dissipation thermique des LED et améliore leurs performances.
Faible coefficient de dilatation thermique : sa valeur théorique est de 4,6 × 10⁻⁶/K, proche de celle des matériaux LED couramment utilisés comme le Si et le GaAs. Son comportement en dilatation thermique est également similaire à celui du Si. De plus, l'AlN présente une structure réticulaire similaire à celle du GaN, ce qui est essentiel pour les LED de puissance hautes performances.
Large bande interdite (6,2 eV) : d'excellentes propriétés d'isolation éliminent le besoin d'un traitement d'isolation supplémentaire dans les applications LED haute puissance, simplifiant ainsi le processus.
Dureté et résistance élevées : grâce à sa structure wurtzite et à ses fortes liaisons covalentes, l'AlN présente de bonnes propriétés mécaniques. Il présente également une excellente stabilité chimique et une excellente résistance aux températures élevées, restant stable à l'air jusqu'à 1 000 °C et sous vide jusqu'à 1 400 °C, ce qui le rend idéal pour le frittage à haute température et les applications résistantes à la corrosion.
Conclusion
Parmi les existants matériaux de substrat en céramiqueLe Si₃N₄ présente la plus haute résistance à la flexion et à l'usure, ce qui en fait le matériau le plus performant en termes de propriétés mécaniques complètes. Son coefficient de dilatation thermique extrêmement faible en fait également un matériau très prometteur pour le conditionnement des dispositifs de puissance. Cependant, son procédé de fabrication complexe, son coût élevé et sa conductivité thermique relativement faible limitent son utilisation aux applications nécessitant une résistance élevée mais une dissipation thermique modérée.
En revanche, l'AlN excelle dans presque tous les domaines, notamment en matière de conductivité thermique, essentielle pour le packaging électronique. Son principal inconvénient réside dans son coût élevé, dû à la cherté des matières premières et de la transformation. Cependant, grâce aux progrès de la technologie de production de l'AlN, les coûts devraient diminuer, ouvrant la voie à une adoption généralisée dans les applications LED haute puissance.
Selon vous, quel matériau dominera l’avenir de l’électronique de haute puissance ?
À propos de Xiamen Juci Technology
En tant que sommet fabricant de poudre de nitrure d'aluminium (AlN) en Chine, Xiamen Juci Technology se spécialise dans les produits de haute pureté et de haute performance matériaux AlN pour les applications électroniques avancées. Notre Poudre d'AlN et les céramiques offrent une conductivité thermique exceptionnelle (jusqu'à 200 W/m·K), une isolation électrique supérieure et une résistance mécanique exceptionnelle, ce qui les rend idéales pour l'électronique haute puissance, emballage de semi-conducteurs, refroidissement LED et systèmes 5G/EV de nouvelle génération.
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