Segons els informes dels mitjans de comunicació de 2025, TSMC, aprofitant els seus anys d'experiència en la fabricació d'hòsties de 12-polzades, està promovent la substitució de substrats ceràmics tradicionals per SiC monocristal-de gran-mida-. Els materials de carbur de silici es divideixen en SiC monocristal·lí i SiC policristalí, aquest últim es refereix principalment a la ceràmica SiC.
Els materials de substrat ceràmics tradicionals inclouen principalment Al₂O₃, BeO, AlN i Si₃N₄, però cadascun té els seus inconvenients: les ceràmiques Al₂O₃ tenen una conductivitat tèrmica baixa; Les ceràmiques BeO tenen un coeficient d'expansió tèrmica (CTE) que difereix significativament del Si i són altament tòxiques, limitant-ne l'ús; Les ceràmiques AlN són costoses i tenen poca resistència; Les ceràmiques Si₃N₄ tenen una conductivitat tèrmica relativament baixa. Les ceràmiques SiC, amb la seva alta conductivitat tèrmica, alta resistència, alta duresa, resistència a alta temperatura, resistència a la corrosió, CTE propera a la del Si i alta intensitat de camp de descomposició, són considerades pels investigadors com un material candidat ideal per a substrats ceràmics.
Aplicacions de substrats de-siC de cristall simple
Substrats per a envasos IGBT
Els transistors bipolars de porta aïllada (IGBT) són dispositius importants-d'alta potència en electrònica de potència, molt utilitzats en vehicles elèctrics, trànsit ferroviari, aeroespacial, generació d'energia fotovoltaica, xarxes intel·ligents i altres camps. A causa del seu alt corrent de funcionament, alta freqüència de commutació i estructura compacta, els IGBT generen calor substancial durant el funcionament. Si no es dissipa ràpidament, aquesta calor pot reduir l'eficiència del dispositiu, escurçar la vida útil o fins i tot provocar una fallada del dispositiu.
La calor generada pels mòduls IGBT es condueix principalment a la carcassa i es dissipa mitjançant el substrat recobert de coure{0}, el que fa que el substrat sigui un material clau en la dissipació de calor per a la gestió tèrmica. La conductivitat tèrmica del substrat-revestit de coure determina directament el rendiment de dissipació de calor del dispositiu d'alimentació.
Actualment, els envasos IGBT encara fan servir substrats revestits de coure-ceràmica-, però els materials ceràmics solen tenir una conductivitat tèrmica baixa. Per exemple, la conductivitat tèrmica de les ceràmiques Al₂O₃ és només de 20 W/(m·K), la de les ceràmiques Si₃N₄ és de 80 W/(m·K) i la de les ceràmiques AlN és de 180 W/(m·K). A mesura que la potència del dispositiu IGBT continua augmentant, les ceràmiques amb baixa conductivitat tèrmica no compleixen els requisits de dissipació de calor dels xips.
Un substrat revestit de coure-SiC AMB (Active Metal Brazing)-de cristall únic consta de: un substrat de SiC cristal·lí únic-, capes de coure metàl·liques a les dues superfícies superior i inferior i una capa de farciment de soldadura forta entre el substrat de SiC i les capes de coure. El substrat de SiC d'un sol-cristall està fet de material de SiC d'un sol-cristall-resistivitat semi-aïllant.
Substrats per a l'embalatge de mòduls de potència SiC
En comparació amb els mòduls basats en silici-, els mòduls de potència SiC tenen una densitat de potència molt més alta. No obstant això, els xips de SiC són més petits i tenen una densitat de flux de calor més gran, cosa que fa que la dissipació de calor sigui un problema crític per als mòduls de potència de SiC.
Actualment, els substrats utilitzats per a dispositius electrònics i diversos mòduls es divideixen en tres categories: substrats de resina, substrats ceràmics i substrats de metall-. Els substrats de resina tenen una conductivitat tèrmica d'aproximadament 1 W/(m·K), una mala dissipació de calor, resistència a la calor i fiabilitat, i s'utilitzen normalment per a plaques de control. Els substrats metàl·lics tenen una conductivitat tèrmica d'uns 2-6 W/(m·K) i s'utilitzen principalment per a mòduls de potència per sota de 600 V/50 A. Els substrats de ceràmica tenen conductivitats tèrmiques que oscil·len entre 20 i 170 W/(m·K) i s'utilitzen habitualment per a mòduls d'alta potència i -C3} d'alta potència.
Els substrats ceràmics utilitzats habitualment són els substrats Al₂O₃ i AlN. Durant les proves de xoc tèrmic, el desajust CTE entre el substrat ceràmic i el xip SiC genera estrès tèrmic a les vores del conductor de coure i dins del substrat ceràmic. Aquesta degradació provoca esquerdes, afectant la fiabilitat ambiental dels mòduls de potència de SiC i limitant la seva vida útil.