Substrati di allumina per imballaggi elettronici

Con il rapido sviluppo delle comunicazioni mobili di quinta generazione (5G), dell’Internet delle cose e dell’elettronica di potenza, i componenti elettronici si stanno evolvendo verso la miniaturizzazione, l’elevata integrazione, l’alta frequenza e velocità. Ciò pone requisiti più elevati in termini di gestione termica, affidabilità dell'isolamento e integrità del segnale nei materiali di confezionamento dei circuiti. Le ceramiche di allumina, con la loro elevata resistenza meccanica, eccellenti proprietà di isolamento, buona conduttività termica (circa 20-30 W/(m·K)), bassa perdita dielettrica ed eccezionale resistenza allo shock termico e stabilità chimica, sono diventate un materiale fondamentale e insostituibile negli imballaggi elettronici. Insieme all’ampia disponibilità di materie prime, ai costi relativamente bassi e ai processi di produzione maturi,substrati ceramici di alluminasvolgono un ruolo vitale in una vasta gamma di applicazioni, tra cui aerospaziale, veicoli a nuova energia, controllo industriale ed elettronica di consumo.

L'allumina (Al₂O₃) esiste in varie forme isomorfe, tra cui α-Al₂O₃, β-Al₂O₃ e γ-Al₂O₃. α-Al₂O₃ (struttura del corindone) è il più stabile. Il suo sistema cristallino appartiene al sistema trigonale, con ioni di ossigeno in uno schema esagonale compatto e ioni di alluminio che riempiono due terzi dei vuoti ottaedrici, formando una struttura densa e stabile con elevata forza di legame. Questa struttura conferisce ad α-Al₂O₃ elevata durezza (durezza Mohs 9), un elevato punto di fusione (circa 2050°C), eccellente inerzia chimica e proprietà dielettriche, rendendolo la scelta preferita per la produzione di substrati ceramici ad alte prestazioni.

In base alla purezza dell'allumina, le ceramiche comuni sono classificate come: porcellana al corindone (Al₂O₃ ≥ 99%), porcellana 99%, porcellana 95% e porcellana 90%. La porcellana ad alto contenuto di allumina è generalmente definita come contenente più dell'85% di Al₂O₃. All’aumentare della purezza dell’Al₂O₃, le proprietà meccaniche, termiche ed elettriche della ceramica migliorano significativamente. Ad esempio, le proprietà tipiche della ceramica di allumina al 99,5% includono una densità apparente di circa 3,95 g/cm³, una resistenza alla flessione di 395 MPa, un coefficiente di espansione lineare (25-800°C) di 8,1 × 10⁻⁶/°C, una conduttività termica di 32 W/(m·K), una rigidità dielettrica di 18 kV/mm e una resistività di volume (a 25°C) superiore a 10¹⁴ Ω·cm. Queste proprietà li rendono ideali per applicazioni di confezionamento elettronico che richiedono elevata potenza, elevato isolamento e alte temperature.

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