Quais são os materiais de substrato cerâmico usados em embalagens eletrônicas?

No processo de embalagem eletrônica, o substrato desempenha principalmente a função de proteção de suporte mecânico e interconexão elétrica (isolamento). Com o desenvolvimento da tecnologia de embalagem eletrônica para miniaturização, alta densidade, multifuncionalidade e alta confiabilidade, a densidade de potência do sistema eletrônico aumenta e o problema de dissipação de calor torna-se cada vez mais sério. Há muitos fatores que influenciam a dissipação de calor dos dispositivos, entre os quais a seleção de materiais de substrato também é um elo importante.

Atualmente, há quatro tipos principais de materiais de substrato comumente usados em embalagens eletrônicas: um substrato de polímero, um substrato de metal, um substrato composto e substratos de cerâmica. O material de substrato de cerâmica é amplamente usado em substratos de embalagens eletrônicas por suas vantagens, como alta resistência, bom isolamento, boa condutividade térmica e resistência ao calor, pequeno coeficiente de expansão térmica e boa estabilidade química.

Os materiais de substrato de embalagem de cerâmica incluem principalmente óxido de alumínio, óxido de berílio e nitreto de alumínio. Atualmente, a cerâmica de alumina é o material de embalagem de cerâmica mais maduro, amplamente utilizado por sua boa resistência a choques térmicos e isolamento elétrico, além da tecnologia madura de fabricação e processamento.

Os Estados Unidos, o Japão e outros países desenvolveram um substrato de cerâmica multicamada, tornando-o uma cerâmica de alta tecnologia amplamente utilizada. Atualmente, os materiais de substrato de cerâmica usados incluem alumina, óxido de berílio, nitreto de alumínio, carbeto de silício e mulita.

Em termos de estrutura e processo de fabricação, os substratos cerâmicos podem ser divididos em substratos cerâmicos multicamadas de co-combustão de alta temperatura, substratos cerâmicos de co-combustão de baixa temperatura, substratos cerâmicos de filme espesso etc.

Cerâmica de co-combustão de alta temperatura (HTCC)

O pó cerâmico(pó de nitreto de silício, pó de alumina, pó de nitreto de alumínio) foi adicionado primeiramente ao aglutinante orgânico e misturado uniformemente até formar uma pasta; em seguida, a pasta é raspada em folhas com um raspador e a pasta é transformada em pasta verde por meio do processo de secagem; depois, faça o furo de passagem de acordo com o design de cada camada e use pasta metálica de serigrafia para a fiação e o preenchimento dos furos; finalmente, coloque a camada verde sobreposta e no forno de alta temperatura (1600 ℃) para sinterização.

Devido à alta temperatura de sinterização, a escolha dos materiais condutores de metal é limitada (principalmente tungstênio, molibdênio, manganês e outros metais com alto ponto de fusão, mas baixa condutividade elétrica). O custo de produção do substrato cerâmico co-queimado de alta temperatura é alto, e sua condutividade térmica geralmente está entre 20 e 200 W/(m-℃) (dependendo da composição e da pureza do pó cerâmico).

Cerâmica de co-combustão de baixa temperatura (LTCC)

O processo de preparação do substrato cerâmico de co-combustão de baixa temperatura é semelhante ao do substrato cerâmico multicamadas de co-combustão de alta temperatura. A diferença está nos substratos cerâmicos de co-combustão de baixa temperatura no pó de alumina misturado com a fração de massa de 30% a 30% dos materiais de vidro de baixo ponto de fusão, diminuindo a temperatura de sinterização para 850 ~ 900 ℃. Portanto, ouro e prata com boa condutividade podem ser usados como eletrodos e materiais de fiação.

No entanto, por outro lado, a condutividade térmica do composto é de apenas 2~3w/(m-℃), uma vez que a fase de vidro do substrato cerâmico de co-combustão de baixa temperatura está contida no material cerâmico. Além disso, como o substrato cerâmico de co-combustão de baixa temperatura adota a tecnologia de impressão de tela para fazer o circuito de metal, o erro de alinhamento pode ser causado pelo problema da rede.

Na produção prática, podem ser adicionados orifícios térmicos ou condutores na área do remendo para melhorar a condutividade térmica do substrato de cerâmica co-queimada de baixa temperatura, mas a desvantagem é que o custo aumentará. Para expandir o campo de aplicação do substrato cerâmico, a laminação multicamada e a tecnologia de co-combustão são geralmente adaptadas para produzir uma estrutura multicamada com a cavidade, que atende aos requisitos de encapsulamento hermético de dispositivos eletrônicos e é amplamente usada em áreas com ambiente hostil, como a aeroespacial, e requisitos de alta confiabilidade, como a comunicação óptica.

Substrato de cerâmica de filme espesso

Comparado com o substrato cerâmico multicamada de co-combustão de alta temperatura e o substrato cerâmico de co-combustão de baixa temperatura, o substrato cerâmico de filme espesso é um substrato cerâmico pós-combustão. O processo de preparação consiste em revestir a pasta metálica na superfície do substrato de cerâmica com a tecnologia de impressão de tela, em primeiro lugar, e pode ser preparado após a secagem e a sinterização em alta temperatura (700 ~ 800 ℃).

As pastas metálicas são geralmente compostas de pós metálicos, resinas orgânicas e pós de vidro. A espessura da camada de metal sinterizado é de 10 a 20μm com uma largura mínima de linha de 0,3 mm. Devido à tecnologia madura, ao processo simples e ao baixo custo, o substrato de cerâmica de filme espesso tem sido aplicado em embalagens eletrônicas com baixos requisitos de precisão gráfica.