Quali sono i materiali dei substrati ceramici utilizzati nell'imballaggio elettronico?
Nel processo di imballaggio elettronico, il substrato svolge principalmente il ruolo di protezione del supporto meccanico e di interconnessione elettrica (isolamento). Con lo sviluppo della tecnologia di imballaggio elettronico verso la miniaturizzazione, l'alta densità, la multifunzione e l'alta affidabilità, la densità di potenza del sistema elettronico aumenta e il problema della dissipazione del calore diventa sempre più serio. Sono molti i fattori che influenzano la dissipazione del calore dei dispositivi, tra i quali anche la scelta dei materiali dei substrati è un elemento chiave.
Attualmente, esistono quattro tipi principali di materiali di substrato comunemente utilizzati nel packaging elettronico: un substrato polimerico, un substrato metallico, un substrato composito e substrati ceramici. Il materiale ceramico è ampiamente utilizzato nei substrati per l'imballaggio elettronico per i suoi vantaggi, come l'elevata resistenza, il buon isolamento, la buona conducibilità termica e la resistenza al calore, il ridotto coefficiente di espansione termica e la buona stabilità chimica.
I materiali del substrato di imballaggio in ceramica includono principalmente ossido di alluminio, ossido di berillio e nitruro di alluminio. Attualmente, la ceramica di allumina è il materiale di imballaggio ceramico più maturo, ampiamente utilizzato per la sua buona resistenza agli shock termici e all'isolamento elettrico, nonché per la tecnologia di produzione e lavorazione matura.
Gli Stati Uniti, il Giappone e altri Paesi hanno sviluppato un substrato ceramico multistrato, che è diventato una ceramica high-tech ampiamente utilizzata. Attualmente, i materiali utilizzati per i substrati ceramici includono allumina, ossido di berillio, nitruro di alluminio, carburo di silicio e mullite.
In termini di struttura e processo produttivo, i substrati ceramici possono essere suddivisi in substrati ceramici multistrato co-combustibili ad alta temperatura, substrati ceramici co-combustibili a bassa temperatura, substrati ceramici a film spesso, ecc.
Ceramica co-combustabile ad alta temperatura (HTCC)
La polvere di ceramica(polvere di nitruro di silicio, polvere di allumina, polvere di nitruro di alluminio) è stata prima aggiunta al legante organico, mescolata uniformemente in pasta; poi l'impasto è stato raschiato in fogli con un raschietto, e l'impasto è stato trasformato in impasto verde attraverso il processo di essiccazione; quindi è stato praticato il foro passante in base al design di ogni strato, e si è utilizzata la pasta metallica per la serigrafia per il cablaggio e il riempimento dei fori; infine si è messo lo strato verde in sovrapposizione e in forno ad alta temperatura (1600 ℃) per la sinterizzazione.
A causa dell'elevata temperatura di sinterizzazione, la scelta dei materiali metallici conduttori è limitata (principalmente tungsteno, molibdeno, manganese e altri metalli con un elevato punto di fusione ma scarsa conducibilità elettrica). Il costo di produzione del substrato ceramico in co-cottura ad alta temperatura è elevato e la sua conducibilità termica è generalmente compresa tra 20 e 200 W/(m-℃) (a seconda della composizione e della purezza della polvere ceramica).
Ceramica co-cotta a bassa temperatura (LTCC)
Il processo di preparazione del substrato ceramico di co-combustione a bassa temperatura è simile a quello del substrato ceramico multistrato di co-combustione ad alta temperatura. La differenza sta nel fatto che i substrati ceramici di co-combustione a bassa temperatura contengono polvere di allumina mescolata con una frazione di massa del 30% - 30% di materiali di vetro a basso punto di fusione, abbassando la temperatura di sinterizzazione a 850 ~ 900 ℃. Pertanto, l'oro e l'argento con buona conduttività possono essere utilizzati come elettrodi e materiali di cablaggio.
D'altra parte, però, la conducibilità termica del composito è solo di 2~3w/(m-℃), poiché la fase di vetro del substrato ceramico a bassa temperatura è contenuta nel materiale ceramico. Inoltre, poiché il substrato ceramico di co-combustione a bassa temperatura adotta la tecnologia serigrafica per realizzare il circuito metallico, l'errore di allineamento può essere causato dal problema della rete; inoltre, il rapporto di contrazione della sinterizzazione del laminato ceramico multistrato è diverso, il che influisce sulla resa.
Nella produzione pratica, è possibile aggiungere fori termici o conduttivi nell'area del patch per migliorare la conduttività termica del substrato ceramico co-cotto a bassa temperatura, ma lo svantaggio è che il costo aumenta. Per ampliare il campo di applicazione del substrato ceramico, la laminazione multistrato e la tecnologia di co-cottura sono generalmente adattate per produrre una struttura multistrato con la cavità, che soddisfa i requisiti di incapsulamento ermetico dei dispositivi elettronici ed è ampiamente utilizzata nei settori con un ambiente difficile, come quello aerospaziale, e con requisiti di alta affidabilità, come la comunicazione ottica.
Substrato ceramico a film spesso
Rispetto al substrato ceramico multistrato co-combusto ad alta temperatura e al substrato ceramico co-combusto a bassa temperatura, il substrato ceramico a film spesso è un substrato ceramico post-combusto. Il processo di preparazione consiste nel rivestire la pasta metallica sulla superficie del substrato ceramico con la tecnologia della serigrafia, e può essere preparato dopo l'essiccazione e la sinterizzazione ad alta temperatura (700 ~ 800 ℃).
Le paste metalliche sono generalmente composte da polveri metalliche, resine organiche e polveri di vetro. Lo spessore dello strato metallico sinterizzato è di 10~20μm con una larghezza minima della linea di 0,3 mm. Grazie alla tecnologia matura, alla semplicità del processo e al basso costo, il substrato ceramico a film spesso è stato applicato agli imballaggi elettronici con bassi requisiti di precisione grafica.
