Chemikalien

Elektronische Substrat- und Verpackungskeramik

Elektronisches Substrat und Verpackungskeramik , fortschrittliche Industriematerialien, die aufgrund ihrer Isoliereigenschaften bei der Herstellung elektronischer Komponenten nützlich sind.

Moderne Elektronik basiert auf dem integrierte Schaltung , eine Anordnung von Millionen miteinander verbundener Komponenten wie Transistoren und Widerstände, die auf einem winzigen Siliziumchip aufgebaut sind. Um ihre Zuverlässigkeit aufrechtzuerhalten, sind diese Schaltkreise auf Isoliermaterialien angewiesen, die als dienen könnenSubstrate (dh die Grundlagen, auf denen die mikroskopischen elektronischen Komponenten und ihre Verbindungen aufgebaut sind) undPakete (dh die Strukturen, die einen Stromkreis von der Umgebung abdichten und ihn zu einer einzigen, kompakten Einheit machen). Die Isoliereigenschaften von Keramik sind bekannt, und diese Eigenschaften haben Anwendung in fortschrittlichen Keramikmaterialien für Substrate und Verpackungen gefunden. Die Materialien und Produkte werden in diesem Artikel beschrieben.

Materialien

Unter den als elektronische Substrate und Verpackungen verwendeten Keramiken ist das dominierende Material Aluminiumoxid (Aluminiumoxid, Al 2 O 3 ). Zu den Vorteilen von Aluminiumoxid gehören ein hoher spezifischer Widerstand, eine gute mechanische und dielektrische Festigkeit, eine ausgezeichnete Wärme- und Korrosionsstabilität und die Fähigkeit, hermetische Dichtungen bereitzustellen. Seine Hauptnachteile sind eine relativ hohe Dielektrizitätskonstante (die die Signalausbreitung verzögert) und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit (was es ineffizient macht, Wärme abzuleiten). Aus diesen Gründen werden Keramikmaterialien mit verbesserten Eigenschaften entwickelt. Einige dieser Materialien werden unten erwähnt.

Substrate

Aluminiumoxidsubstrate werden entweder als dicke Filme oder als dünne Filme hergestellt. Dickschicht-Substrate werden durch Bandgussverfahren (hauptsächlich Rakeln) auf Dicken von weniger als 1,5 Millimetern oder durch Trockenpressen bei Dicken von mehr als 1,5 Millimetern hergestellt. Die Formulierung enthält 96 Prozent Al 2 O 3 , der Rest sind Erdalkalisilikate, die beim Sintern ein Glas bilden, um die Aluminiumoxidteilchen miteinander zu verbinden. Das Glas dient auch zur Verbindung mit Dickschichtwiderständen oder Leitern, die auf der Oberfläche des Substrats aufgebaut sind.

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Dünnschichtsubstrate (weniger als 1 Millimeter dick) werden ebenfalls durch Rakeln hergestellt, ein Verfahren, das in Abbildung 1 des Artikels Advanced Ceramics dargestellt ist . Organisches Bindemittel und Weichmacher werden hinzugefügt, um die Bildung zu unterstützen. Die Standardformulierung ist 99,5% Aluminiumoxid, wobei kleine Mengen Magnesiumoxid (MgO) und Siliciumdioxid (SiO 2 ) zugesetzt werden, um die Korngröße während des Sinterns zu kontrollieren.

Multilayer-Pakete

Integrierte Schaltungen sind häufig in mehrschichtigen Gehäusen wie Chipträgern, Dual-In-Line-Gehäusen und Pin-Grid-Arrays enthalten. Diese Strukturen dienen dazu, Halbleiterbauelemente in starken, thermisch stabilen, hermetisch abgedichteten Umgebungen unterzubringen .

Keramikverpackungen bestehen zu 90–94 Prozent aus Al 2 O 3 , der Rest der Formulierung besteht aus glasbildenden Erdalkalisilikaten. Eine Hauptanforderung besteht darin, dass die Formulierungen mit Wolfram- oder Molybdänmetallisierungslinien mitgebrannt werden können. Die Aluminiumoxidschichten werden durch Bandgießen / Rakeln hergestellt, wonach die Bänder lochgestanzt oder lasergeschnitten, durchlöcherbeschichtet (Durchkontaktierungen sind leitende Wege zwischen den Schichten) und durch Siebdruck mit Wolfram oder Molybdän metallisiert werden können. Anschließend werden mehrere Schichten zu Mehrschichtstrukturen laminiert. Das Mitbrennen erfolgt bei Temperaturen bis zu 1.600 ° C (2.900 ° F) in Schutzatmosphäre aus Wasserstoff oder Wasserstoff-Stickstoff-Gas, um eine Oxidation der Metalle zu verhindern. Das Ergebnis des Mitbrennens ist ein MonolithPaket mit internen Leiterpfaden. Der Siliziumchip ist in der Verpackung montiert und die Verpackung ist mit einem Glas- oder Metalldeckel hermetisch versiegelt.

Der Zweck des integrierten Schaltungspakets besteht darin, die Siliziumvorrichtung aufzunehmen und sie mit der externen elektrischen Schaltung zu verbinden. Die Verpackungsmaterialien müssen niedrige Dielektrizitätskonstanten aufweisen (um die Verzögerung bei der Signalverarbeitung zu minimieren) und Wärme von den Halbleiterbauelementen wegleiten. Aluminiumoxid ist in beiden Punkten schlecht. Es gibt Materialien mit höherer Wärmeleitfähigkeit, aber sie sind entweder toxisch (wie im Fall von Berylliumoxid, BeO) oder schlecht mitbrennende Keramiken ( z. B. Aluminiumnitrid, AlN). Es wurden Glaskeramikformationen entwickelt, die leicht zu verarbeiten sind, niedrige Dielektrizitätskonstanten aufweisen und auch der Wärmeausdehnung entsprechenKoeffizienten von Metallen mit hoher Leitfähigkeit (Gold und Kupfer), die in elektrischen Schaltkreisen verwendet werden. Sie haben jedoch geringe Festigkeiten und geringe Wärmeleitfähigkeiten.

Elektronische Substrate und Gehäuse sind nur eine Art fortschrittlicher elektrokeramischer Anwendung. Ein Verzeichnis mit Artikeln zu anderen Anwendungen sowie Artikeln zu allen Aspekten der fortgeschrittenen und traditionellen Keramik finden Sie unter Industriekeramik: Übersicht über die Abdeckung .