Con la rápida evolución de la industria de los semiconductores, se necesitan dispositivos electrónicos más rápidos, eficientes y altamente fiables. Los fabricantes que venden estos materiales semiconductores cerámicos, a medida que se vuelven más sofisticados, se ven obligados a seleccionar materiales que resistan estas condiciones y, además, conserven una funcionalidad superior. Por estas razones, se han desarrollado cerámicas avanzadas como materiales esenciales para este campo, gracias a su superior estabilidad térmica, aislamiento eléctrico, durabilidad mecánica y resistencia química.
En este artículo, se analizan las funciones cruciales de las cerámicas avanzadas en aplicaciones de semiconductores y se presenta su mérito relativo frente a otros materiales, junto con la identificación de varios tipos de cerámicas clave y posibles ayudantes para seleccionar las cerámicas más efectivas para optimizar el rendimiento general.
¿Qué son las cerámicas avanzadas?
La cerámica avanzada, también conocida como cerámica de ingeniería o cerámica técnica, es un material de alto rendimiento que puede utilizarse en la industria con propiedades especiales. A diferencia de la cerámica tradicional, que suele asociarse con la alfarería y la construcción, cerámica avanzada Son sobresalientes en características térmicas, mecánicas y eléctricas, muy adecuados para la fabricación de semiconductores.
Existen dos categorías principales en las que se pueden dividir estas cerámicas:
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Cerámica estructural: Tan fuertes y resistentes que pueden usarse para crear componentes mecánicos y construir elementos portantes.
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Biocerámica: Se utiliza especialmente en el campo médico, pero también en la producción de semiconductores debido a su estabilidad química y funciones personalizadas.
Comparación de diferentes materiales
La fabricación de semiconductores depende de la elección de materiales, que determinan el rendimiento, la eficiencia y la vida útil. Comparar la cerámica avanzada con materiales de uso común como metales, polímeros y cerámica tradicional permite tomar decisiones informadas sobre sus respectivas ventajas y desventajas.
Rieles
Anteriormente, metales como el aluminio o el cobre se utilizaban ampliamente en la fabricación de semiconductores debido a su excelente conductividad eléctrica y térmica. Sin embargo, presentan problemas de oxidación, corrosión y expansión térmica, lo que puede comprometer su rendimiento en las condiciones de temperatura más altas. Por otro lado, las cerámicas avanzadas son muy resistentes al calor, al desgaste y a la degradación química, por lo que pueden ser una mejor opción para componentes semiconductores cruciales que deben mantener su estabilidad y longevidad.
Polímeros
Debido a su ligereza y a su bajo costo, los polímeros se utilizan comúnmente en el encapsulado electrónico. Sin embargo, debido a sus bajas propiedades térmicas y mecánicas, no pueden emplearse en aplicaciones de semiconductores de alto rendimiento. Para satisfacer esta necesidad, las cerámicas avanzadas ofrecen una excelente resistencia al calor, durabilidad y estabilidad estructural, lo que las convierte en una alternativa fundamental a los componentes semiconductores para garantizar una mayor vida útil y una mayor confiabilidad.
Cerámica tradicional
Las cerámicas convencionales se han utilizado en numerosas industrias, pero aún no poseen las propiedades de alta calidad requeridas para las aplicaciones de semiconductores. Las cerámicas tradicionales suelen ser más frágiles y presentan una microestructura menos controlada. Por otro lado, las cerámicas avanzadas están cuidadosamente diseñadas para ofrecer un mejor rendimiento eléctrico, térmico o mecánico y, por lo tanto, son esenciales para entornos críticos de semiconductores.
Materiales cerámicos avanzados de uso común
Aquí se enumeran algunas de las cerámicas avanzadas más utilizadas, con descripciones de sus principales propiedades apropiadas para aplicaciones de semiconductores particulares.
Óxido de aluminio (Al₂O₃)
El óxido de aluminio es una de las cerámicas avanzadas más utilizadas en aplicaciones de semiconductores. Se considera que posee un excelente aislamiento eléctrico, alta conductividad térmica y sólidas propiedades mecánicas. Por lo tanto, es adecuado para su uso en blindajes cerámicos, placas de blindaje cerámico, así como en componentes de blindaje cerámico que requieren una excelente resistencia al desgaste. Además, su uso en sustratos, aislantes y soportes de obleas garantiza la estabilidad y la eficiencia en los procesos de semiconductores.
Carburo de silicio (SiC)
Otro material semiconductor cerámico crucial es el carburo de silicio debido a su alta conductividad térmica, alta resistencia mecánica y baja expansión térmica. Se utiliza ampliamente en equipos de procesamiento de obleas de semiconductores, intercambiadores de calor, así como en aplicaciones electrónicas de alta frecuencia que requieren una disipación térmica eficaz y estabilidad del material. Además de ser un material semiconductor, el SiC es muy duradero, por lo que se utiliza en blindajes y chalecos antibalas cerámicos.
Zirconia (ZrO₂)
La zirconia posee una reconocida tenacidad a la fractura, así como una excelente resistencia al choque térmico. Su alta durabilidad y robustez superficial frente a los inevitables picos de temperatura la hacen ideal para su uso en herramientas de procesamiento de semiconductores y sistemas de manipulación de obleas que requieren un funcionamiento prolongado. Además de sus aplicaciones en semiconductores, la zirconia se utiliza ampliamente en chalecos antibalas cerámicos y placas antibalas cerámicas para la protección contra impactos extremos.
Diboruro de titanio (TiB₂)
El diboruro de titanio es duro y conductor de electricidad. Se utiliza frecuentemente en blancos de pulverización catódica para procesos de deposición de películas delgadas y proporciona una aplicación precisa en la fabricación de semiconductores. También se utiliza en placas cerámicas antibalas y sistemas de protección balística debido a su excepcional resistencia, lo que demuestra su amplio espectro de usos en electrónica y defensa.
Cómo elegir la cerámica avanzada adecuada
La selección de la mejor cerámica avanzada para aplicaciones de semiconductores es un proceso complejo que no puede realizarse sin considerar el rendimiento del material en diversas condiciones de operación. Para tomar la mejor decisión, los ingenieros deben considerar cómo reacciona cada material cerámico al entorno del semiconductor. A continuación, analizamos los aspectos principales y cómo afectan al rendimiento.
Estabilidad térmica
Dado que los componentes semiconductores suelen estar sujetos a variaciones de temperatura muy severas, los materiales utilizados deben ser capaces de soportar temperaturas muy altas sin perder su rendimiento. La selección inadecuada de materiales provoca deformaciones, grietas y una menor eficiencia con el tiempo.
Por ejemplo, el carburo de silicio (SiC) es una buena opción por su alta conductividad térmica y baja expansión térmica. Estas funciones duales pueden combinarse para permitir que el material disipe el calor eficientemente en equipos de electrónica de potencia y procesamiento de obleas, a la vez que mantiene la integridad estructural ante cambios bruscos de temperatura. De igual manera, el óxido de aluminio (Al₂O₃) posee una conductividad térmica moderada, pero es un excelente aislante eléctrico, lo que lo convierte en una buena opción para controlar el calor, manteniendo al mismo tiempo el rendimiento del aislamiento.
Resistencia mecánica
En la fabricación de semiconductores, las operaciones de precisión son necesarias, ya que deben someterse a tensiones mecánicas, impactos y manipulación repetida. Si la cerámica no es lo suficientemente resistente, puede agrietarse, desgastarse, fallar prematuramente y aumentar los costos de mantenimiento y el tiempo de inactividad.
La zirconia (ZrO₂) destaca en aplicaciones que requieren una excelente tenacidad a la fractura, gracias a su extrema resistencia a los impactos y al choque térmico. Por lo tanto, es adecuada para herramientas de procesamiento de obleas y equipos de fabricación de semiconductores sometidos a un uso continuo. Además, el carburo de silicio (SiC) es duro y resistente al desgaste, por lo que es ideal para aplicaciones de alta tensión donde la durabilidad es fundamental.
Propiedades eléctricas
Existen aplicaciones de semiconductores que requieren un alto aislamiento eléctrico o una conductividad controlada. La selección incorrecta del material puede provocar pérdida de potencia, sobrecalentamiento o interferencias en circuitos electrónicos muy sensibles.
Dado que se requiere una alta rigidez dieléctrica en aplicaciones como sustratos y aislantes, se prefiere el óxido de aluminio (Al₂O₃). Ofrece una excelente resistencia a la ruptura dieléctrica, lo que permite un funcionamiento estable en entornos de alta tensión. Por el contrario, en casos donde se requiere conductividad eléctrica, como en blancos de pulverización catódica para la deposición de películas delgadas, el diboruro de titanio (TiB₂) puede conducir eficazmente la electricidad a pesar de su estabilidad mecánica.
Resistencia química
En las industrias de fabricación de semiconductores, los componentes se sumergen frecuentemente en productos químicos corrosivos, gases reactivos y entornos de alta pureza. La cerámica estructuralmente inestable puede degradarse debido a la inestabilidad química, lo que resulta en el debilitamiento estructural o la contaminación de materiales semiconductores frágiles.
Si necesita un material resistente a la oxidación, los ácidos y los álcalis, el carburo de silicio (SiC) es uno de los más fiables. Por ello, es indispensable para cámaras de procesamiento de semiconductores y entornos químicamente agresivos. El Al₂O₃, como otro óxido, también presenta una fuerte inercia química y es aplicable a procesos de fabricación de alta pureza que requieren la integridad del material.
Conclusión
Donde los materiales tradicionales presentan un rendimiento inferior, las cerámicas avanzadas se han convertido en la solución ideal para lograr una estabilidad, durabilidad y fiabilidad óptimas. Por ejemplo, el carburo de silicio ofrece una excelente resistencia térmica en el procesamiento de obleas, mientras que el óxido de circonio resiste los daños causados por los impactos de herramientas de precisión. La elección del material adecuado no solo se basa en requisitos de ingeniería, sino también en su eficiencia, en cómo previene fallos costosos y en la estabilidad a largo plazo que mantiene un alto rendimiento en cualquier entorno operativo. A medida que las aplicaciones de semiconductores se vuelven más complejas, el uso estratégico de las mejores cerámicas avanzadas será un factor clave para superar los límites del rendimiento, la innovación y la formación, y alcanzar la cima de la tecnología electrónica de próxima generación.