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功率电子器件用高热导热率的封接、封装材料

所属分类:行业新闻    发布时间: 2020-09-24    作者:admin
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真空电子二极管、三极管分别于1904年和1906年诞生。因此,称20世纪50年代以前为真空电子器件时代,当时其发展速度和重要地位实属惊人。以1947年半导体三极管发明起,并经过10年的发展,到6O年代已进入半导体三极管的时代,随着整个世界高科技的发展,依次进入IC时代(70年代)、LSI时代(80年代)、VLSI时代(90年代),20世纪初已跨入ULSI时代。毋庸置疑,随着功率电子器件的迅速发展,其相关技术的封接、封装用材料和工艺也相应得到飞跃的进步。功率电子器件的设计,.主要包括电参数设计、结构设计和热耗散设计。热耗散的指标已是器件质量和高可靠的重要内容。迄今,真空电子器件的发展方向仍然是大功率、超高频。频率有至毫米波、亚毫米波,功率有达千瓦级、兆瓦级,这就是体积变小,功率变大,因而必须有大量的比热量要耗散掉。对分立器件和Ic也一样,半导体芯片数越来越多,布线和封装密度越来越高的功率电路中,器件越来越复杂,又将导致基片尺寸增大和集成度提高,其集成工艺从现在的微米技术进入了亚微米(0.1~0.5μm)领域,使得基片功率耗散增加,半导体元件绝缘基片的热效应显得更为重要。这将导致集成块单位体积内所产生的热量大幅度增加,如果这些热量不能迅速散发出去,集成块将难以正常工作,情况严重时,甚至可以导致集成块被烧损。据报道,当芯片发热量在3 W 以上时,像Al2O3那样一般基板材料的散热性能很难满足要求。
 应该指出:不同功率电子器件对封接、封装材料的性能要求是不一样的,例如,功率真空电子器件用输出窗,其基本性能要求是:①低的损耗角正切值;②低的二次电子发射系数;③低的介电常数;④高的介电强度;⑤高的热导率系数;⑥高的机械强度;⑦适当的热膨胀系数;⑧易于金属化和封接。而微电子行业所用的陶瓷基板,其基本性能要求是:①高的体、表面电阻、高的绝缘抗电强度以及低的tg8和介电常数;②热稳定好、热导率高、热膨胀系数适当、匹配;③机械强度大、翘曲度小、表面粗糙度适当;④化学稳定性好、与制造电阻或导体及其浆料的相容性好。

 无庸讳言:多年以来,微电子封接技术的发展是日新月异、层出不穷、突飞猛进,一代芯片必须有与之相适应的一代微电子封装。从20世纪50~60年代只三根引线TO(Transistor Outline)型金属一玻璃封接时代至7O年代开发的Dip(Double in—Line Package)型双列直插式时代,8O年代的QFP(Quad Flat package)四边引脚扁平封装时代,而90年代已是BGA(BaIl Grid Array)焊球陈列封接时代。未来的发展仍然高潮迭起,例如:CSP(Chip Package)芯片尺寸封接,MCM (Multichip)多芯片组件以及SOP(System on a package)系统级封接等都在不断和高速的开发、完善。


即使如此,真空电子器件用陶瓷一金属封接技术也随着器件的发展而不断地前进,例如,新材料封接技术的应用(金刚石、衰减陶瓷、SiC、Si3N4等)。正如M.J.Carruthers指出,真空电子器件随着卫星通信的发展,开始出现新的商用市场,卫星广播以及高清晰电视等应用需要远超目前固态器件所能达到的更大功率以及更高频率的需求。真空管不要失望。

陶瓷基高热导率的陶瓷材料
 一般常见的高热导率的陶瓷材料有金刚石、BeO、SiC、AlN、Si3N4和CVD—BN等。
1.1 金刚石
通常所说的金刚石在真空电子器件上的应用主要是指化学气相沉积(CVD)金刚石膜,该材料的优点是介质损耗很低,且热导率很高,是毫米波行波管特别是3 mm行波管输出窗的..材料,pv= 1015~1016Ω·cm,电阻率很大。

 G.Gantenbein业已报导,在140 GHz阶梯调谐高功率回旋管中,用于真空隔离的布儒斯特角金刚石输出窗取得了成功。该结构输出窗可确保回旋管工作不同频率时不会产生射频功率反射,表明CVD金刚石具有非常好的材料特性。

由于金刚石的热膨胀系数很低,弹性模量很大,焊接时与一般焊料的界面能(SL)很大,从而对制成输出窗封接高质量的气密性和强度性质带来困难。
1.2 BeO 陶瓷

BeO 陶瓷在功率电子器件上的应用已年代久远,并成功地应用于很多功率器件和重要工程上,为电子行业作出了重要贡献。其优点是使用热导率高,仅次于金刚石,与AlN相比,陶瓷制造技术相对成熟,成型方法较多,且成瓷烧结温度偏低。作为高热导率衰减材料BeO—SiC复合材料也比A1N—SiC系高许多。特别要强调的一点是BeO 陶瓷易于金属化,封接强度较高,不足之处是热导率随温度的升高下降较快(大于300℃),这对高温散热不利。此外,BeO蒸气、粉体有害,需要适当防护。业已证明:在电子行业中,BeO 陶瓷的安全生产和使用是完全可以做到的。

应该指出:目前,我国几家生产BeO 陶瓷的.高组分均是99% ,这是因我国原材料.高纯度为99.5% 所制约的。国外BeO 陶瓷的主流产品是99.5%,因此,二者性能尚有一定的差距。这同时也反映我国功率电子器件用BeO 陶瓷的发展仍然是有空间的。

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