전력 소자, 특히 3세대 반도체의 등장과 응용으로 반도체 소자는 점차 고전력, 소형화, 집적화, 그리고 다기능화로 진화하고 있습니다. 이로 인해 패키징 기판의 성능에 대한 요구가 더욱 높아지고 있습니다. 높은 열전도도, 우수한 내열성, 낮은 열팽창 계수, 높은 기계적 강도, 우수한 절연성, 내식성, 그리고 내방사선성을 갖춘 세라믹 기판은 전자 소자 패키징에 널리 사용되고 있습니다.
그래서, 그 사이에 질화알루미늄(AlN) 그리고 가장 유망한 포장재는 질화규소(Si₃N₄)인가요?
세라믹 기판 재료에 대한 요구 사항
1. 높은 열전도도로 방열 요구 사항을 충족합니다.
2. 고온 응용 분야(200°C 이상)에 대한 우수한 내열성.
3. 칩과 기판 사이의 열응력을 줄이기 위해 열팽창 계수를 맞춥니다.
4. 고주파 성능을 위한 낮은 유전율, 신호 지연을 줄이고 전송 속도를 향상시킵니다.
5. 포장 및 적용 시 기계적 요구 사항을 견딜 수 있는 높은 기계적 강도.
6. 강산, 강알칼리, 끓는 물, 유기용매 등에도 견딜 수 있는 우수한 내식성.
7. 전자소자의 밀폐형 패키징 요구 사항을 충족하는 고밀도 구조.
질화규소(Si₃N₄)
Si₃N₄ 세라믹 기판은 320 GPa의 탄성 계수, 920 MPa의 굽힘 강도, 3.2 × 10⁻⁶/°C에 불과한 열팽창 계수, 그리고 9.4의 유전율을 갖습니다. 높은 경도, 강도, 낮은 열팽창, 그리고 뛰어난 내식성을 나타냅니다.
초기에는 Si₃N₄의 복잡한 결정 구조로 인해 상당한 포논 산란이 발생하여 열전도도가 낮은 것으로 여겨져(15–30 W/(m·K)), 베어링 볼이나 구조 부품과 같은 응용 분야에만 적합했습니다. 그러나 이후 연구를 통해 낮은 열전도도가 주로 격자 결함과 불순물 때문이라는 것이 밝혀졌으며, 이론 열전도도는 최대 320 W/(m·K)에 이를 것으로 예측되었습니다. 이후 연구를 통해 제조 공정을 최적화하여 Si₃N₄ 세라믹의 열전도도를 크게 향상시켰고, 현재 177 W/(m·K)에 도달했습니다.
또한, 다른 세라믹 재료와 비교하여 Si₃N₄는 특히 고온 환경에서 탁월한 장점을 발휘합니다. Si₃N₄는 뛰어난 열 안정성, 금속에 대한 화학적 불활성, 초고경도 및 파괴인성을 나타냅니다. Si₃N₄ 세라믹의 굽힘 강도와 파괴인성은 AlN의 두 배 이상이므로 Si₃N₄ 기판의 신뢰성이 훨씬 뛰어납니다.
질화알루미늄(AlN)
AlN은 높은 열전도도와 뛰어난 전기 절연성을 모두 갖춘 몇 안 되는 소재 중 하나입니다.
이 제품의 장점은 다음과 같습니다.
높은 열전도도 - 실온에서 이론적인 열전도도는 최대 320 W/(m·K)에 달할 수 있으며, 이는 알루미나 세라믹의 8~10배에 달합니다. 실제로는 200 W/(m·K)에 달할 수 있어 LED의 방열을 용이하게 하고 성능을 향상시킵니다.
낮은 열팽창 계수 - 이론값은 4.6 × 10⁻⁶/K로, Si 및 GaAs와 같이 일반적으로 사용되는 LED 소재와 유사합니다. 열팽창 특성 또한 Si와 유사합니다. 또한, AlN은 GaN과 동일한 격자 구조를 가지고 있어 고성능 전력 LED에 필수적입니다.
넓은 밴드갭(6.2eV) - 뛰어난 절연 특성으로 고전력 LED 애플리케이션에서 추가적인 절연 처리가 필요 없어 공정이 간소화됩니다.
높은 경도와 강도 - AlN은 우르자이트 구조와 강력한 공유 결합으로 인해 우수한 기계적 특성을 나타냅니다. 또한 뛰어난 화학적 안정성과 고온 내성을 가지고 있어 공기 중에서는 최대 1000°C, 진공에서는 최대 1400°C까지 안정적이기 때문에 고온 소결 및 내식성 응용 분야에 적합합니다.
결론
기존 중 세라믹 기판 재료Si₃N₄는 최고의 굽힘 강도와 내마모성을 가지고 있어 종합적인 기계적 특성 면에서 최고 수준입니다. 또한, 매우 낮은 열팽창 계수는 전력 소자 패키징에 매우 유망한 소재입니다. 그러나 복잡한 제조 공정, 높은 비용, 그리고 상대적으로 낮은 열전도도는 높은 강도와 적당한 방열 성능을 요구하는 응용 분야에만 적용하는 데 제한적입니다.
반면, AlN은 거의 모든 면에서 우수하며, 특히 전자 패키징에 필수적인 열전도도 측면에서 탁월합니다. 가장 큰 단점은 고가의 원자재와 공정으로 인해 높은 비용이 발생한다는 것입니다. 그러나 AlN 생산 기술이 발전함에 따라 비용이 감소할 것으로 예상되며, 이는 고출력 LED 애플리케이션에서 널리 채택될 수 있는 길을 열어줄 것입니다.
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샤먼 쥐치 테크놀로지 소개
상위로서 질화알루미늄(AlN) 분말 제조업체 중국에서는 Xiamen Juci Technology가 고순도, 고성능을 전문으로 합니다. AlN 재료 고급 전자 응용 분야를 위한. AlN 분말 세라믹은 뛰어난 열전도도(최대 200W/m·K), 우수한 전기 절연성, 뛰어난 기계적 강도를 제공하여 고전력 전자 장치에 이상적입니다. 반도체 패키징, LED 냉각, 차세대 5G/EV 시스템.
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