窒化シリコン vs. 窒化アルミニウム: 最も有望な基板材料はどちらですか?

パワーデバイス、特に第三世代半導体の台頭と応用に伴い、半導体デバイスは徐々に高出力化、小型化、集積化、多機能化へと進化しています。これに伴い、パッケージ基板への要求性能も高まっています。高い熱伝導率、優れた耐熱性、低い熱膨張係数、高い機械的強度、優れた絶縁性、耐腐食性、耐放射線性を備えたセラミック基板は、電子機器のパッケージングに広く使用されています。

だから、 窒化アルミニウム（AlN） シリコン窒化物（Si₃N₄）のうち、最も有望な包装材料はどれでしょうか？

セラミック基板材料の要件

1、放熱のニーズを満たす高い熱伝導率。

2、高温用途（200℃以上）に優れた耐熱性。

3、熱膨張係数を一致させることで、チップと基板間の熱応力を軽減します。

4、誘電率が低いため高周波性能に優れ、信号遅延が低減し伝送速度が向上します。

5、包装および適用時の機械的要求に耐える高い機械的強度。

6、強酸、アルカリ、沸騰水、有機溶剤などにも耐える優れた耐食性。

7、電子機器の気密パッケージ要件を満たす高密度構造。

窒化ケイ素（Si₃N₄）

Si₃N₄セラミック基板は、弾性率320GPa、曲げ強度920MPa、熱膨張係数3.2×10⁻⁶/°C、誘電率9.4を有し、高い硬度、強度、低熱膨張、優れた耐食性を備えています。

当初、Si₃N₄は複雑な結晶構造を持ち、フォノン散乱が顕著であるため、熱伝導率は15～30 W/(m·K)と低く、ベアリングボールや構造部品などの用途にしか適さないと考えられていました。しかし、その後の研究で、低い熱伝導率は主に格子欠陥と不純物に起因することが明らかになり、理論上の熱伝導率は最大320 W/(m·K)に達する可能性があると予測されました。その後の研究により製造プロセスが最適化され、Si₃N₄セラミックスの熱伝導率は大幅に向上し、現在では177 W/(m·K)に達しています。

さらに、Si₃N₄は他のセラミック材料と比較して、特に高温環境下において優れた熱安定性、金属に対する化学的不活性性、超高硬度、そして破壊靭性といった優れた特性を有しています。Si₃N₄セラミックスの曲げ強度と破壊靭性はAlNの2倍以上であり、Si₃N₄基板は信頼性において非常に優れています。

窒化アルミニウム（AlN）

AlN は、高い熱伝導性と優れた電気絶縁性を兼ね備えた数少ない材料の 1 つです。

その利点は次のとおりです:

高い熱伝導率 - 室温での理論上の熱伝導率は最大320W/(m·K)に達し、アルミナセラミックの8～10倍に相当します。実際には200W/(m·K)に達し、LEDの放熱を促進し、性能を向上させます。

低い熱膨張係数 - 理論値は4.6 × 10⁻⁶/Kで、SiやGaAsなどの一般的なLED材料の値に近い値です。熱膨張挙動もSiに類似しています。さらに、AlNはGaNと格子構造が整合しており、これは高性能パワーLEDにとって非常に重要です。

広いバンドギャップ (6.2 eV) - 優れた絶縁特性により、高出力 LED アプリケーションで追加の絶縁処理が不要になり、プロセスが簡素化されます。

高い硬度と強度 - AlNはウルツ鉱型構造と強力な共有結合により、優れた機械的特性を示します。また、優れた化学的安定性と耐高温性を備え、空気中では1000℃まで、真空中では1400℃まで安定しているため、高温焼結や耐腐食用途に適しています。

結論

既存の セラミック基板材料Si₃N₄は曲げ強度と耐摩耗性に優れており、総合的な機械特性において最も優れています。また、熱膨張係数が極めて低いことから、パワーデバイスのパッケージング材料として非常に有望です。しかし、製造工程が複雑でコストが高く、熱伝導率が比較的低いため、高強度でありながら適度な放熱性を必要とする用途に限定されています。

一方、AlNはほぼ全ての面で優れており、特に電子パッケージングに不可欠な熱伝導性において優れています。主な欠点は、原材料費と加工コストが高いことです。しかし、AlN製造技術の進歩に伴い、コストは低下すると予想されており、高出力LED用途への普及が期待されます。

高出力エレクトロニクスの将来を支配するのはどの素材だとお考えですか?

厦門ジュチテクノロジーについて

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