Dengan pesatnya laju evolusi industri semikonduktor, diperlukan perangkat elektronik yang lebih cepat, lebih efisien, dan sangat andal. Produsen yang menjual bahan semikonduktor keramik ini, karena semakin canggih, terpaksa memilih bahan yang dapat bertahan dalam kondisi seperti itu dan, yang lebih penting, mempertahankan fungsionalitas yang unggul. Karena alasan ini, keramik canggih telah dikembangkan sebagai bahan penting untuk bidang ini karena stabilitas termal, isolasi listrik, daya tahan mekanis, dan ketahanan kimianya yang unggul.
Dalam artikel ini, fungsi penting keramik canggih dalam aplikasi semikonduktor dianalisis, dan keunggulan relatifnya terhadap material lain disajikan, bersama dengan identifikasi beberapa jenis keramik utama dan pembantu potensial untuk memilih keramik yang paling efektif untuk mengoptimalkan kinerja keseluruhan.
Apa itu Advanced Ceramics?
Keramik canggih yang juga dikenal sebagai keramik rekayasa atau keramik teknis adalah material yang memiliki kinerja tinggi yang dapat digunakan untuk keperluan industri dengan sifat-sifat khusus. Tidak seperti keramik tradisional, yang biasanya dikaitkan dengan tembikar dan konstruksi, keramik canggih memiliki karakteristik termal, mekanik, dan listrik yang luar biasa, sangat cocok untuk manufaktur semikonduktor.
Keramik dapat dibagi menjadi dua kategori utama:
-
Keramik struktural: Begitu kuat dan tangguh sehingga dapat digunakan untuk membuat komponen mekanis dan membangun barang yang menahan beban.
-
Bio keramik: Terutama digunakan dalam bidang medis, tetapi juga dalam produksi semikonduktor karena stabilitas kimianya dan fungsi khusus.
Membandingkan Berbagai Bahan
Pembuatan semikonduktor bergantung pada pilihan bahan, yang menentukan kinerja, efisiensi, serta masa pakai. Membandingkan keramik canggih dengan bahan yang umum digunakan seperti logam, polimer, dan keramik tradisional memungkinkan pengambilan keputusan yang tepat tentang kelebihan dan kekurangan masing-masing.
Logam
Di masa lalu, logam seperti aluminium atau tembaga telah banyak digunakan dalam pembuatan semikonduktor karena konduktivitas listrik dan termalnya yang sangat baik. Namun, logam-logam ini menghadapi masalah dalam hal oksidasi, korosi, dan ekspansi termal, yang dapat membahayakan kinerja dalam kondisi suhu tertinggi. Di sisi lain, keramik canggih sangat tahan terhadap panas, keausan, dan degradasi kimia, sehingga dapat menjadi pilihan yang lebih baik untuk komponen semikonduktor penting yang harus menjaga stabilitas dan keawetannya.
Polimer
Karena ringan dan relatif murah, polimer umumnya digunakan dalam kemasan elektronik. Akan tetapi, karena sifat termal dan mekanisnya yang buruk, polimer tidak dapat digunakan dalam aplikasi semikonduktor berkinerja tinggi. Untuk memenuhi kebutuhan tersebut, keramik canggih menawarkan ketahanan panas, daya tahan, dan stabilitas struktural yang luar biasa, sehingga menjadikannya alternatif yang sangat dibutuhkan untuk komponen semikonduktor dalam memastikan siklus hidup yang lebih lama dan keandalan yang lebih baik.
Keramik Tradisional
Keramik konvensional telah digunakan di banyak industri, tetapi masih belum memiliki sifat-sifat halus yang dibutuhkan untuk aplikasi semikonduktor. Keramik tradisional umumnya lebih rapuh dan memiliki struktur mikro yang kurang terkontrol. Di sisi lain, keramik canggih dirancang dengan cermat untuk menawarkan kinerja listrik, termal, atau mekanis yang lebih baik dan karenanya penting untuk lingkungan semikonduktor yang kritis.
Material Keramik Canggih yang Umum Digunakan
Beberapa keramik canggih yang paling banyak digunakan tercantum di sini, dengan deskripsi sifat utamanya yang sesuai untuk aplikasi semikonduktor tertentu.
Aluminium Oksida (Al₂O₃)
Salah satu keramik canggih yang paling banyak digunakan dalam aplikasi semikonduktor adalah aluminium oksida. Keramik ini dianggap memiliki isolasi listrik yang sangat baik, konduktivitas termal yang tinggi, dan sifat mekanis yang kuat. Oleh karena itu, keramik ini cocok untuk digunakan dalam pelindung keramik, pelat pelindung keramik, serta komponen pelindung keramik yang memerlukan ketahanan aus yang sangat baik. Selain itu, penggunaannya dalam substrat, isolator, dan pembawa wafer menjamin stabilitas dan efisiensi dalam proses semikonduktor.
Karbida silikon (SiC)
Bahan semikonduktor keramik penting lainnya adalah silikon karbida karena konduktivitas termalnya yang tinggi, kekuatan mekanisnya yang tinggi, dan ekspansi termalnya yang rendah. Bahan ini banyak digunakan dalam peralatan pemrosesan wafer semikonduktor, penukar panas, serta aplikasi elektronik frekuensi tinggi yang memerlukan pembuangan panas yang efektif dan stabilitas material. Selain semikonduktor, SiC sangat tahan lama, sehingga digunakan dalam aplikasi pelindung tubuh keramik dan rompi antipeluru keramik.
Zirkonia (ZrO₂)
Zirkonia memiliki ketahanan fraktur yang sangat baik, serta ketahanan terhadap guncangan termal. Daya tahannya yang tinggi dan ketahanan permukaannya terhadap lonjakan suhu yang tak terhindarkan membuatnya sangat cocok untuk digunakan dalam peralatan pemrosesan semikonduktor dan sistem penanganan wafer yang harus beroperasi dalam jangka waktu lama. Selain aplikasi semikonduktornya, zirkonia banyak digunakan dalam rompi balistik keramik dan pelat antipeluru keramik untuk melindungi dari benturan ekstrem.
Titanium Diborida (TiB₂)
Titanium diborida bersifat keras dan konduktif secara elektrik. Titanium diborida sering digunakan dalam target sputtering untuk proses pengendapan lapisan tipis dan menyediakan aplikasi material yang tepat dalam pembuatan semikonduktor. Titanium diborida juga digunakan dalam pelat keramik antipeluru dan sistem perlindungan balistik karena kekuatannya yang luar biasa, menunjukkan bahwa titanium diborida memiliki cakupan penggunaan yang luas dalam bidang elektronik dan pertahanan.
Cara Memilih Keramik Canggih yang Tepat
Pemilihan keramik canggih terbaik untuk aplikasi semikonduktor merupakan proses rumit yang tidak dapat dilakukan tanpa mempertimbangkan kinerja material dalam berbagai kondisi pengoperasian. Untuk membuat pilihan terbaik, teknisi perlu mempertimbangkan bagaimana setiap material keramik bereaksi dengan lingkungan semikonduktor. Berikut ini, kami membahas aspek-aspek utama dan bagaimana aspek-aspek tersebut memengaruhi kinerja.
Stabilitas Termal
Karena komponen semikonduktor biasanya mengalami perubahan suhu yang sangat drastis, bahan yang digunakan harus mampu menahan panas yang sangat tinggi tanpa kehilangan kinerjanya. Tidak memilih bahan terbaik akan mengakibatkan lengkungan, keretakan, dan penurunan efisiensi seiring berjalannya waktu.
Misalnya, silikon karbida (SiC) merupakan pilihan yang baik dengan konduktivitas termal yang tinggi dan ekspansi termal yang rendah. Fungsi ganda ini dapat dikombinasikan untuk memungkinkan material tersebut menghilangkan panas dalam peralatan elektronika daya dan pemrosesan wafer secara efisien sambil mempertahankan integritas struktural pada perubahan suhu yang cepat. Demikian pula, aluminium oksida (Al₂O₃) memiliki konduktivitas termal sedang tetapi merupakan isolator listrik yang sangat baik, menjadikannya pilihan yang baik untuk mengendalikan panas, tetapi tetap mempertahankan kinerja isolasi.
Kekuatan Mekanik
Dalam pembuatan semikonduktor, operasi presisi diperlukan, karena harus mengalami tekanan mekanis, benturan, dan penanganan berulang. Jika keramik tidak cukup kuat, keramik dapat retak, aus, rusak sebelum waktunya, dan menambah biaya perawatan serta waktu henti yang lebih tinggi.
Zirkonia (ZrO₂) menonjol dalam hal aplikasi yang membutuhkan ketangguhan fraktur yang fantastis, karena sangat tahan terhadap benturan dan guncangan termal. Oleh karena itu, cocok untuk peralatan pemrosesan wafer dan peralatan fabrikasi semikonduktor yang terus-menerus digunakan. Selain itu, silikon karbida (SiC) keras dan tahan aus, sehingga ideal untuk aplikasi tegangan tinggi yang membutuhkan ketahanan.
Sifat Listrik
Ada beberapa aplikasi semikonduktor yang memerlukan isolasi listrik yang tinggi atau konduktivitas yang terkontrol. Pemilihan material yang salah dapat mengakibatkan hilangnya daya, panas berlebih, atau gangguan pada sirkuit elektronik yang sangat sensitif.
Karena kekuatan dielektrik yang tinggi diperlukan dalam aplikasi seperti substrat dan isolator, aluminium oksida (Al2O3) lebih disukai. Ia menawarkan ketahanan kerusakan dielektrik yang luar biasa, memungkinkan operasi yang stabil dalam lingkungan tegangan tinggi. Sebaliknya, dalam kasus di mana konduktivitas listrik diperlukan, seperti target sputtering untuk pengendapan film tipis, titanium diborida (TiB3) dapat secara efektif menghantarkan listrik meskipun stabilitas mekanisnya.
Ketahanan Kimia
Dalam industri manufaktur semikonduktor, komponen sering kali terendam dalam bahan kimia korosif, gas reaktif, serta lingkungan dengan kemurnian tinggi. Degradasi keramik yang secara struktural tidak stabil akibat ketidakstabilan kimia dapat terjadi, yang mengakibatkan pelemahan struktural atau kontaminasi bahan semikonduktor yang rapuh.
Jika Anda membutuhkan material yang tahan terhadap oksidasi, asam, dan basa, silikon karbida (SiC) adalah salah satu material yang paling dapat diandalkan. Karena itu, material ini sangat diperlukan untuk ruang pemrosesan semikonduktor dan lingkungan yang agresif secara kimia. Al₂O₃, sebagai oksida lainnya, juga memiliki kelembaman kimia yang kuat dan dapat diaplikasikan pada proses manufaktur dengan kemurnian tinggi yang membutuhkan integritas material.
Kesimpulan
Jika material tradisional memiliki kinerja yang lebih rendah, keramik canggih muncul sebagai solusi sempurna untuk stabilitas, daya tahan, dan keandalan yang optimal. Misalnya, silikon karbida menawarkan ketahanan panas yang sangat baik dalam pemrosesan wafer, sementara zirkonium oksida menahan kerusakan akibat benturan alat presisi yang keras. Memilih material yang tepat tidak hanya tentang persyaratan teknik, tetapi juga tentang seberapa efisiennya, bagaimana mencegah kegagalan yang mahal, dan seberapa lama stabilitasnya mempertahankan kinerja tinggi dalam lingkungan operasi apa pun. Karena aplikasi semikonduktor menjadi lebih kompleks, penggunaan strategis keramik canggih terbaik akan menjadi faktor kunci dalam mendorong batas kinerja, inovasi, dan pembentukan, serta merebut puncak teknologi elektronik generasi berikutnya.