Keramische substraten: Al₂O₃, AlN, Si₃N₄

1. De kernmissie van keramische substraten

In het grote geheel van de moderne elektronica-industrie spelen keramische substraten, hoewel vaak verborgen achter de schermen, een onvervangbare en cruciale rol. Van hoogfrequente signaaloverdracht in 5G-basisstations tot motorcontrollers in nieuwe energievoertuigen en de kernverpakkingslaag van vermogenshalfgeleiders: keramische substraten blijven standvastig de kern van elektronische apparaten en vervullen in stilte de dubbele missie van ‘warmtedissipatie-ruggengraat’ en ‘isolatiebeschermer’.

Als we de 5G-basisstations als voorbeeld nemen, genereren deze tijdens bedrijf een grote hoeveelheid warmte. Als deze warmte niet op tijd kan worden afgevoerd, zullen de prestaties van de apparatuur aanzienlijk afnemen of zelfs storingen veroorzaken. Keramische substraten kunnen dankzij hun uitstekende thermische geleidbaarheid de warmte snel afvoeren, waardoor de stabiele werking van het basisstation wordt gegarandeerd. In de motorcontrollers van nieuwe energievoertuigen moeten keramische substraten niet alleen bestand zijn tegen omgevingen met hoge temperaturen, maar ook tegen de tests van hoge spanning en hoge stroom. Hun superieure isolatie-eigenschappen en mechanische sterkte bieden een betrouwbare garantie voor de efficiënte werking van de motor.

Volgens gezaghebbende voorspellingen zal de mondiale markt voor keramische substraten naar verwachting stijgen van 1,13 miljard dollar in 2022 naar 4,15 miljard dollar in 2029, wat neerkomt op een samengesteld jaarlijks groeipercentage (CAGR) van 18,23%. Deze snelle groei wordt aangedreven door de explosieve vraag naar vermogenselektronica, halfgeleiders van de derde generatie en hoogwaardige apparatuur. Met de snelle ontwikkeling van de technologie stellen deze vakgebieden steeds hogere eisen aan de prestaties van elektronische apparaten, waardoor keramische substraten als sleutelmateriaal steeds belangrijker worden.

2. Technische profielen van de drie reguliere substraten

Van de grote familie van keramische substraten zijn aluminiumoxide (Al₂O₃), aluminiumnitride (AlN) en siliciumnitride (Si₃N₄) de drie meest prominente, die elk helder schijnen in verschillende toepassingsgebieden vanwege hun unieke materiaaleigenschappen.

Keramische substraten van aluminiumoxide (Al₂O₃) kunnen bogen op 60 jaar industrialisatie-ervaring, volwassen technologie en relatief lage kosten. Dankzij hun hoge productievolume en uitstekende kosteneffectiviteit hebben ze een aanzienlijk deel van de markt voor het lage tot middensegment kunnen bezetten. Op het gebied van algemene consumentenelektronica, zoals smartphones en tablets, voldoen keramische substraten van aluminiumoxide aan de eisen van grootschalige productie met hun stabiele prestaties en betaalbare prijs. Naarmate elektronische producten zich echter ontwikkelen in de richting van miniaturisatie, hoge frequentie en hoog vermogen, wordt de relatief lage thermische geleidbaarheid van keramische substraten van aluminiumoxide steeds duidelijker, waardoor het moeilijk wordt om te voldoen aan de strenge eisen voor warmteafvoer van hoogwaardige toepassingen.

Keramische substraten van aluminiumnitride (AlN).onderscheiden zich door hun superieure thermische geleidbaarheid, variërend van 200 tot 270 W/(m·K), wat 4 tot 7 maal groter is dan die van aluminiumoxide. Deze eigenschap maakt aluminiumnitride tot de voorkeurskeuze voor toepassingen met hoog vermogen, zoals eindversterkers in 5G-basisstations en krachtige LED-verlichting. In 5G-basisstations kunnen keramische substraten van aluminiumnitride de door de eindversterker gegenereerde warmte snel afvoeren, waardoor een stabiele werking van de apparatuur onder hoogfrequente en hoogvermogensomstandigheden wordt gegarandeerd, waardoor de communicatiekwaliteit en efficiëntie effectief worden verbeterd. Bovendien bezit aluminiumnitride ook een hoge mechanische sterkte en goede corrosieweerstand, waardoor het wordt beschouwd als het meest veelbelovende keramische materiaal met hoge thermische geleidbaarheid. De fabricage van aluminiumnitridematerialen is momenteel echter een uitdaging, met hoge productiekosten en moeilijkheden bij grootschalige massaproductie, wat de wijdverbreide toepassing ervan in elektronische verpakkingen aanzienlijk beperkt.

Siliciumnitride (Si₃N₄) keramische substraten, met hun uitstekende algemene prestaties, zijn in opkomst op geavanceerde gebieden met hoge betrouwbaarheidseisen. Met een buigsterkte van meer dan 800 MPa is siliciumnitride een van de sterkste bekende keramische materialen, waardoor het substraat uitzonderlijk goed bestand is tegen mechanische schokken, trillingen en thermische schokken, waardoor het minder gevoelig is voor breuk in complexe installatie- en gebruiksomgevingen. Tegelijkertijd heeft siliciumnitride een lage thermische uitzettingscoëfficiënt van slechts 3,2 × 10⁻⁶/℃, wat uitstekende compatibiliteit vertoont met halfgeleiderchipmaterialen (zoals silicium: ~3 × 10⁻⁶/℃, siliciumcarbide: ~4 × 10⁻⁶/℃), waardoor de thermische cyclusspanning aanzienlijk wordt verminderd en de betrouwbaarheid van de module wordt verbeterd. In de lucht- en ruimtevaartsector moet apparatuur in extreme omgevingen kunnen functioneren; de hoge betrouwbaarheid en stabiliteit van keramische substraten van siliciumnitride bieden krachtige ondersteuning voor de normale werking van elektronische apparatuur. De hoge productiekosten en complexe processen van keramische substraten van siliciumnitride beperken echter de toepassing ervan op sommige kostengevoelige gebieden.

Semicorex biedt hoogwaardige kwaliteitkeramische substraten. Als u vragen heeft of aanvullende informatie nodig heeft, aarzel dan niet om contact met ons op te nemen.

Neem contact op met telefoonnummer +86-13567891907

E-mail: sales@semicorex.com