טכנולוגיית המיקרו-אלקטרוניקה המודרנית מתפתחת במהירות רבה, ומערכות וציוד אלקטרוני מתפתחים לכיוון של אינטגרציה רחבת היקף, מזעור, יעילות גבוהה ואמינות גבוהה.
הגידול באינטגרציה של מערכות אלקטרוניות יביא לעלייה בצפיפות ההספק ולעלייה בחום הנוצר מהפעולה הכוללת של רכיבים ומערכות אלקטרוניות. פיזור חום הפך לטכנולוגיית מפתח שמשפיעה על ביצועי המכשיר ואמינותם. במכשירים אלקטרוניים, בדרך כלל כל עלייה של 10 מעלות צלזיוס מפחיתה את חיי היעילות של המכשיר ב -30% עד 50%.
פיזור חום טוב של מכשירים אלקטרוניים תלוי בתכנון מבנה פיזור חום אופטימלי, בחירת חומרי אריזה (חומר ממשק תרמי ומצע פיזור חום) ובתהליך ייצור האריזות. ביניהם, בחירת חומר המצע מהווה גורם מפתח המשפיע ישירות על עלותו, ביצועיו ואמינותו של המכשיר, ומציב דרישות גבוהות יותר לביצועי מצע אריזת המוליכים למחצה.
באופן כללי, מצעי אריזה אלקטרונית צריכים להיות בעלי התכונות הבאות:
(1) מוליכות תרמית טובה. מוליכות תרמית היא אחד ממדדי הביצוע העיקריים של חומרי מצע אריזה אלקטרונית. אם מצע האריזה לא מצליח להפיץ את החום בזמן, זה ישפיע על חייו ותנאי ההפעלה של ציוד אלקטרוני.
(2) התאמת מקדם התרחבות לינארי. אם מקדמי ההתפשטות הליניאריים של השניים שונים מאוד, המחזור התרמי המהיר של המכשיר האלקטרוני במהלך הפעולה עשוי להכניס מתח תרמי ולגרום לכשל.
מצע האריזה מנצל בעיקר את המוליכות התרמית הגבוהה של החומר עצמו כדי לייצא חום מהשבב (מקור חום) כדי להשיג החלפת חום עם הסביבה החיצונית. עבור התקני מוליכים למחצה חשמליים, על מצע החבילה לעמוד בדרישות הבאות:
(1) מוליכות תרמית גבוהה. נכון לעכשיו, התקני מוליכים למחצה ארוזים בהפרדה תרמואלקטרית, ורוב החום שנוצר על ידי המכשיר מועבר דרך מצע האריזה. מצע עם הולכת חום טובה יכול להגן על השבב מפני נזק תרמי.
(2) התאם את מקדם ההתרחבות התרמית של חומר השבב. שבב התקני הכוח עצמו יכול לעמוד בטמפרטורות גבוהות יותר, ושינויים בתנאי הזרם, הסביבה והתפעול ישנו את הטמפרטורה שלו. מכיוון שהשבב מותקן ישירות על מצע האריזה, התאמת מקדם ההתרחבות התרמית של השניים תפחית את הלחץ התרמי של השבב ותשפר את אמינות המכשיר.
(3) עמידות טובה בחום, עומדת בדרישות השימוש בטמפרטורה גבוהה של מכשירי חשמל ובעלת יציבות תרמית טובה.
(4) בידוד טוב העומד בדרישות לחיבור חשמלי ובידוד רכיבים.
(5) קבוע דיאלקטרי נמוך ואובדן דיאלקטרי.
בנוסף, על מצע האריזה האלקטרונית להיות בעל תכונות מכניות גבוהות, תכונות כימיות יציבות, עיבוד קל, מתאים לייצור בקנה מידה גדול, מחיר סביר ומתאים ליישומים בקנה מידה גדול.
נכון לעכשיו, חומרי המצע הנפוצים לאריזות אלקטרוניות הם בעיקר: מצעים פולימרים; מצעי מתכת; מצעים מרוכבים; מצעי קרמיקה.
לכן, מצעי פולימר (כגון PCB) הם בדרך כלל בעלי מוליכות תרמית נמוכה ואמינות ירודה, ואינם מתאימים לדרישות גבוהות יותר; מצעי מתכת (כגון MCPCB) הם בעלי מוליכות תרמית גבוהה, אך בדרך כלל אינם תואמים את מקדם ההתרחבות התרמית, והמחיר גבוה, השימוש מוגבל מאוד; ולחומר הקרמי עצמו יש תכונות של מוליכות תרמית גבוהה, עמידות טובה בחום, בידוד גבוה, חוזק גבוה והתאמה תרמית לחומר השבב, שמתאים מאוד כמצע אריזה למכשירים חשמליים. נעשה בו שימוש נרחב בתאורת מוליכים למחצה, תקשורת לייזר ואופטית, חלל, אלקטרוניקה לרכב, קידוחים בים עמוק ותחומים אחרים.
לעומת מצעי פולימר ומצעי מתכת, למצעים קרמיים יש את היתרונות הבאים:
(1) ביצועי בידוד טובים ואמינות גבוהה;
(2) המקדם הדיאלקטרי קטן והביצועים בתדירות גבוהה הם טובים;
(3) מקדם התרחבות תרמי קטן ומוליכות תרמית גבוהה;
(4) אטימות האוויר טובה, הביצועים הכימיים יציבים, ויש לו השפעה מגנה חזקה על המערכת האלקטרונית.
לכן, המצע הקרמי מתאים לאריזת מוצרים עם אמינות גבוהה, בתדירות גבוהה, עמידות בטמפרטורה גבוהה ואטימות חזקה באוויר, תעופה וחלל והנדסה צבאית. רכיבים אלקטרוניים שבבים קטנים במיוחד נמצאים בשימוש נרחב בתחומי התקשורת הסלולרית, מחשבים, מכשירי חשמל ביתיים ואלקטרוניקה לרכב, וחומרי הספק שלהם
עשרה משתמשים במצעים קרמיים של אריזה אלקטרונית.
נכון לעכשיו, כמה חומרי מצע קרמיים נפוצים לאריזות אלקטרוניות הם אלומינה (Al2O3), אלומיניום ניטריד (AlN), סיליקון ניטריד (Si3N4), סיליקון קרביד (SiC), בוריד ניטריד (BN), תחמוצת בריליום (BeO)).
מצע קרמיקה מאלומינה
נכון לעכשיו, קרמיקה מאלומינה היא חומר האריזה הקרמי הבוגר ביותר, והיא נמצאת בשימוש נרחב בגלל עמידות טובה בפני הלם תרמי ובידוד חשמלי, וטכנולוגיית ייצור ועיבוד בשלה.
קרמיקה מאלומינה מתייחסת בדרך כלל לקרמיקה שונות עם אלומינה כחומר הגלם העיקרי, α-Al2O3 כשלב הגביש העיקרי, ותכולת אלומינה מעל 75%. יש לו מקור עשיר של חומרי גלם, מחיר נמוך, חוזק מכני וקשיחות גבוהים, ובידוד ביצועים טובים, עמידות בפני זעזועים תרמיים, עמידות כימית טובה, דיוק ממדי גבוה, והיצמדות טובה למתכות. זהו חומר מצע קרמי עם ביצועים מקיפים טובים.
מצעי קרמיקה מאלומינה נמצאים בשימוש נרחב בתעשיית האלקטרוניקה, המהווים 90% מסך מצעי הקרמיקה והפכו לחומר הכרחי בתעשיית האלקטרוניקה.
לעומת מצעי פולימר ומצעי מתכת, היתרונות של מצעי קרמיקה מאלומינה הם:
(1) קבוע דיאלקטרי נמוך, ביצועים טובים בתדירות גבוהה;
(2) בידוד טוב ואמינות גבוהה;
(3) חוזק גבוה ויציבות תרמית טובה;
(4) מקדם התפשטות תרמית נמוך ומוליכות תרמית גבוהה;
(5) אטימות אוויר טובה וביצועים כימיים יציבים;
(6) עמידות לחות טובה ולא קלה לייצור מיקרו-סדקים.
ביצועי הבידוד החשמלי, המוליכות התרמית ועמידות ההשפעה יגדלו עם עליית תכולת האלומינה, אך יחד עם זאת יובילו לעליית טמפרטורת הסינטר של המצע הקרמי ולעליית עלות הייצור.
על מנת להפחית את טמפרטורת הסינטר של מצע הקרמיקה מאלומינה, תוך הקפדה על התכונות המכניות והחשמליות של מצע הקרמיקה מאלומינה, מתווספת לעיתים קרובות כמות מסוימת של סיוע לסינטור כדי לקדם את הסינטר.
חסרונות של חומרי אריזה קרמיים מאלומינה:
עלות גבוהה, המתאימה לאריזת מכשירים מיקרו-אלקטרוניים מתקדמים, כגון עמידות גבוהה, בתדירות גבוהה, עמידות בטמפרטורה גבוהה, ואריזות רכיבים אטומות לאוויר להנדסת אווירונאוטיקה וחלל;
המוליכות התרמית של מצע קרמיקה מאלומינה גבוהה מזו של גביש יחיד מסיליקון, ולכן מצע קרמיקה מאלומינה מוגבל בשימוש במעגלים משולבים בתדירות גבוהה, בהספק גבוה ובממדים גדולים.
Advanced Ceramics Supplier 