Nel campo del packaging elettronico, i substrati ceramici, con le loro eccellenti proprietà elettriche, termiche e meccaniche, sono diventati materiali chiave per il funzionamento stabile dei dispositivi elettronici. I substrati ceramici realizzati con materiali diversi presentano caratteristiche prestazionali uniche e svolgono un ruolo importante in diversi scenari applicativi. Oggi esamineremo in dettaglio diversi tipi comuni di substrati ceramici e ne confronteremo le differenze prestazionali.
Substrato ceramico di allumina (Al₂O₃)
Il substrato ceramico di allumina è uno dei substrati ceramici più utilizzati al momento. A seconda del diverso contenuto di ossido di alluminio, i substrati ceramici di allumina più comunemente utilizzati sono quelli al 96% e quelli al 99%.
Il 96%substrato ceramico di alluminaPresenta elevata durezza, resistenza e resistenza all'usura. Ha un costo relativamente basso e buone prestazioni di lavorazione, e può essere lavorato mediante taglio, foratura e altri metodi. In applicazioni con basse temperature e bassa intensità di campo elettrico, la sua costante dielettrica e la sua perdita dielettrica offrono prestazioni eccellenti e le prestazioni di trasmissione del segnale sono buone. Tuttavia, la sua purezza è relativamente inferiore a quella del substrato di ossido di alluminio al 99%, e anche la sua costante dielettrica e la sua perdita dielettrica sono leggermente superiori. È soggetto a fratture fragili in ambienti ad alta temperatura.
Il substrato ceramico di allumina al 99% presenta maggiore purezza chimica, densità e durezza, eccellenti proprietà elettriche, una costante dielettrica relativamente elevata e una bassa perdita dielettrica. Presenta un'eccellente stabilità alle alte temperature e può resistere a temperature fino a 1700 °C. Presenta inoltre un'elevata resistenza meccanica e una forte resistenza alla corrosione. Inoltre, può essere preparato in un substrato ceramico di allumina relativamente sottile, il che è vantaggioso per la preparazione di dispositivi microelettronici. Tuttavia, il suo costo è relativamente elevato e anche la difficoltà di lavorazione è maggiore.
2. Campi di applicazione
Il substrato ceramico di allumina al 96% è comunemente utilizzato nei settori dei componenti elettronici a bassa potenza, sensori, condensatori, relè miniaturizzati, componenti a microonde, ecc. In questi scenari, dove il costo è un fattore sensibile e i requisiti prestazionali sono relativamente meno rigorosi, può esprimere appieno i suoi vantaggi. Il substrato ceramico di allumina al 99% è più adatto per i settori dei LED ad alta potenza, dei circuiti integrati ad alta tensione, dei sensori ad alta temperatura, dei componenti elettronici ad alta frequenza, ecc., soddisfacendo i rigorosi requisiti di questi settori in termini di stabilità alle alte temperature, proprietà elettriche e resistenza meccanica dei materiali.
Substrato ceramico in zirconio (ZrO ₂).
1. Caratteristiche delle prestazioni
Il substrato ceramico in zirconia è caratterizzato da elevata resistenza e durezza. La sua durezza può solitamente superare HRA90 e persino raggiungere HRA95, ovvero oltre 10 volte quella dell'acciaio. La sua resistenza può raggiungere 900 MPa a temperatura ambiente e mantenere un livello relativamente elevato anche ad alte temperature. Presenta una buona resistenza all'usura e un'elevata planarità superficiale.
La ceramica di zirconia presenta un'elevata inerzia chimica e un'eccellente resistenza alla corrosione. Non viene facilmente erosa da sostanze chimiche come acidi e alcali e può funzionare stabilmente a lungo in ambienti difficili. Anche le sue prestazioni isolanti sono eccellenti, rendendola adatta per materiali isolanti ad alta tensione. Inoltre, la ceramica di zirconia ha un punto di fusione estremamente elevato e una stabilità alle alte temperature, e può essere utilizzata a lungo in ambienti ad alta temperatura.
2. Campi di applicazione
Trova ampia applicazione in settori quali la produzione di alta gamma, l'elettronica, l'aerospaziale, i dispositivi medici e l'ingegneria chimica. Nel campo dell'elettronica, può essere utilizzato per la produzione di sensori, condensatori, ecc. Nel campo dei dispositivi medici, grazie alla sua buona biocompatibilità, può essere utilizzato per realizzare impianti come articolazioni artificiali.
Substrato ceramico in carburo di silicio (SiC)
1. Caratteristiche delle prestazioni
Il substrato ceramico in carburo di silicio ha una durezza estremamente elevata, 5 volte superiore a quella dell'acciaio e 3 volte superiore a quella dell'alluminio. Presenta inoltre un'elevata resistenza, con una resistenza alla trazione che può superare i 400 MPa. Il carburo di silicio ha una buona resistenza alle alte temperature, con un elevato punto di fusione e può sopportare shock termici ad alta temperatura. Generalmente, la sua temperatura di esercizio varia da 1200 °C a 1600 °C.
Presenta un'elevata resistenza all'ossidazione e alla corrosione da ossidazione ad alte temperature, e può essere utilizzato stabilmente in aria. Il carburo di silicio presenta una buona resistenza all'usura, un'elevata durezza e un basso coefficiente di attrito. Allo stesso tempo, ha un'eccellente conduttività termica, da 2 a 3 volte superiore a quella dei metalli, consentendo un'efficace dissipazione del calore, e ha anche una buona stabilità chimica.
2. Campi di applicazione
È ampiamente utilizzato in settori come i semiconduttori, i dischi magnetici e l'industria aerospaziale. Nel campo dei semiconduttori, i substrati ceramici in carburo di silicio possono essere utilizzati per la produzione di dispositivi di potenza. Sfruttando la loro buona conduttività termica e la resistenza alle alte temperature, è possibile migliorare le prestazioni e l'affidabilità dei dispositivi.
I substrati ceramici realizzati con materiali diversi presentano vantaggi e svantaggi in termini di prestazioni. Nelle applicazioni pratiche, è necessario considerare attentamente fattori quali conduttività termica, isolamento, resistenza meccanica, costi e difficoltà di lavorazione in base alle esigenze specifiche, per poi selezionare il materiale più adatto per il substrato ceramico. Con il continuo sviluppo della tecnologia elettronica, anche i requisiti prestazionali dei substrati ceramici sono in costante aumento. In futuro, i substrati ceramici realizzati con materiali diversi continueranno a essere innovativi in termini di ottimizzazione delle prestazioni e controllo dei costi.
