Avec le développement des circuits intégrés, le niveau d'intégration et la densité de puissance des dispositifs semi-conducteurs ont considérablement augmenté. Par conséquent, la chaleur générée par les opérations correspondantes a augmenté de façon spectaculaire. Selon les statistiques, jusqu'à 55% des défaillances des dispositifs de haute puissance sont causées par la chaleur. Pour résoudre le problème de la dissipation de la chaleur dans les circuits, il est essentiel d'identifier d'abord les composants du système d'emballage électronique qui affectent la dissipation de la chaleur. En tant que support des puces de circuits intégrés, le substrat est en contact direct avec le circuit, et la chaleur générée par le circuit doit donc être dissipée vers l'extérieur à travers le substrat. Afin de faciliter la dissipation de la chaleur pour le circuit, le matériau du substrat doit posséder une conductivité thermique élevée.
En outre, dans des domaines tels que les véhicules à énergie nouvelle et les transports ferroviaires modernes, des conditions d'application complexes telles que les chocs et les vibrations doivent être prises en compte lors de l'utilisation de dispositifs à haute puissance. Cela impose des exigences plus élevées en matière de propriétés mécaniques et de fiabilité du matériau du substrat.
Alors, qui peut assumer une si lourde responsabilité ?
01 Le nitrure de silicium, le matériau de pointe pour les substrats de dissipation thermique
Comparés à d'autres matériaux, les substrats céramiques présentent des performances supérieures, et le choix de matériaux céramiques comme substrats aura donc des perspectives plus larges.
Les matériaux céramiques qui peuvent être utilisés comme substrats sont principalement les suivants : AlN, Al2O3, SiC, BeO, Si3N4, etc. Bien que les substrats céramiques BeO aient une conductivité thermique élevée et une faible constante diélectrique, leurs poudres sont toxiques et nocives pour la santé, de sorte qu'ils sont rarement utilisés de nos jours. Le SiC est stable dans la nature, mais il présente une perte diélectrique élevée et une faible tension de claquage, ce qui le rend inadapté aux environnements de travail à haute tension. Les substrats céramiques Al2O3 ont la plus longue histoire d'application et sont les plus mûrs, mais en raison de la faible conductivité thermique théorique et réelle de l'Al2O3, ils ne peuvent pas répondre aux exigences de dissipation thermique des grands circuits et ne peuvent être utilisés que pour les petits circuits. En comparaison, les céramiques AlN combinent une conductivité thermique élevée, une bonne isolation et une faible constante diélectrique. Cependant, l'AlN présente également des inconvénients importants qui ne peuvent être ignorés, notamment sa susceptibilité à l'hydrolyse, sa résistance et sa ténacité insuffisantes et sa fragilité. Il est donc urgent de trouver un matériau céramique plus stable pour compenser les limites de l'AlN.
comparaison des performances de plusieurs matériaux de substrat
| Matériau du substrat | Si3N4 | AIN | Al2O3 |
| Conductivité thermique/W/(m-k) | 80-100 | 170 | 20-30 |
| Ténacité à la rupture/Mpad-m1/2 | 6.0-8.0 | 2.7 | 3.0 |
| Résistance/Mpa | 600-800 | 350 | 400 |
| Capacité de charge actuelle/A | ≥300 | 100-300 | ≤100 |
| Fiabilité/temps | ≥5000 | 200 | 300 |
| Coût | relativement élevé | Haut | Faible |
Par rapport à d'autres matériaux, les céramiques de nitrure de silicium sont reconnues comme le matériau préféré pour les substrats céramiques à haute conductivité thermique en raison de leur conductivité thermique élevée (la conductivité thermique de son cristal peut atteindre 320 W-m-1-K-1), de leur faible constante diélectrique, de leur non-toxicité et de leur coefficient de dilatation thermique qui correspond à celui du silicium monocristallin.
Établie en 2017, Zhejiang Zhengtian New Materials Technology Co., Ltd. (ci-après dénommée "Zhengtian New Materials") a réalisé une percée significative dans le domaine des substrats céramiques en nitrure de silicium haute performance grâce à des innovations indépendantes. En maîtrisant les technologies de base tout au long de la chaîne de traitement, comme le moulage, le découpage, le poinçonnage, le frittage, ainsi que le post-traitement CNC, le meulage, le polissage et le découpage au laser, l'entreprise a mis au point des substrats en céramique de nitrure de silicium à haute conductivité thermique et à hautes performances.
02 Relever les défis industriels liés à la stabilité des performances et à la production à grande échelle de substrats Si3N4
Bien que les substrats céramiques en nitrure de silicium soient reconnus comme les meilleurs substrats de dissipation thermique en termes de performances globales, deux problèmes difficiles doivent être résolus dans la production réelle : l'obtention d'une "conductivité thermique élevée" et une "production stable à grande échelle".
Zhengtian New Materials Si3N4
Pour obtenir une "conductivité thermique élevée", il est indispensable de disposer d'une poudre de nitrure de silicium de haute qualité et de procédés de préparation scientifiques et avancés. En ce qui concerne les matières premières, Zhengtian New Materials sélectionne des poudres de nitrure de silicium de haute qualité dans le monde entier, garantissant ainsi les "excellentes gènes" des substrats de nitrure de silicium dès la source.
Pour les substrats en nitrure de silicium, l'obtention d'une production à grande échelle durable et stable est un défi pour l'industrie. Cela nécessite non seulement un processus stable qui garantisse l'absence de phénomènes tels que le gauchissement et la fissuration du substrat, mais aussi la réalisation d'opérations continues efficaces.
Atelier de moulage de Zhengtian New Materials
Grâce à des procédés et des équipements de pointe, Zhengtian New Materials a déjà pris l'initiative de s'attaquer aux substrats en nitrure de silicium à haute conductivité thermique et à haute performance. Actuellement, l'entreprise a atteint une production de masse stable avec une conductivité thermique allant jusqu'à 85W/(m-K) et un coefficient de dilatation thermique de 2,7×10-6/℃. Les produits présentent également une excellente résistance mécanique, une bonne stabilité chimique, une résistance à la chaleur et une grande taille (138mm*190,5mm) avec un faible gauchissement (≤200μm) pour les substrats céramiques en nitrure de silicium.
Dimensions des substrats céramiques en nitrure de silicium
| Projet principal | Spécifications | Index |
| Taille du substrat (mm) | 100*100, 114.3*114.3, 138*190.5 | ±0,1 mm |
| Épaisseur | 0.2, 0.25, 0.32, 0.635, 1.0 | ±10% NLT:±0.04mm 10% NLT:±0.04mm |
03 Les poissons sautent dans la mer infinie, et les oiseaux s'envolent dans le ciel immense.
Avec la prolifération rapide des puces semi-conductrices de troisième génération à base de SiC dans les véhicules à énergie nouvelle et la technologie 5G, la demande de substrats céramiques en nitrure de silicium est également entrée dans une phase de développement rapide.
Selon les prévisions, les ventes annuelles mondiales de véhicules électriques dépasseront 25 millions d'unités d'ici à 2025. En supposant que la proportion de dispositifs de puissance SiC soit de 37%, selon les données estimées par plusieurs institutions d'investissement, et en considérant que l'utilisation actuelle des substrats céramiques Si3N4 pour les véhicules électriques est d'une pièce standard (7,5×5,5 pouces) par véhicule, et de deux pièces standard par véhicule pour les grands véhicules tels que les autobus, la demande annuelle supplémentaire mondiale de substrats en nitrure de silicium à haute conductivité thermique en 2025 est estimée à environ 600 000 mètres carrés.
Il ne s'agit là que d'une prévision de marché dans le secteur des véhicules à énergie nouvelle. En outre, la demande de substrats céramiques en nitrure de silicium à haute performance augmente rapidement dans d'autres domaines tels que les systèmes de charge et les applications LED.
Grâce à une innovation indépendante, Zhengtian New Materials est parvenu à produire en masse des substrats céramiques en nitrure de silicium de grande taille et à haute performance. Tout en renforçant sa propre compétitivité, elle a conduit l'industrie sur la voie d'un développement indépendant et contrôlable de haute qualité.
