Door de snelle ontwikkeling van de halfgeleiderindustrie is er behoefte aan snellere, efficiëntere en zeer betrouwbare elektronische apparaten. Fabrikanten die deze keramische halfgeleidermaterialen verkopen, worden, naarmate ze geavanceerder worden, gedwongen materialen te selecteren die bestand zijn tegen dergelijke omstandigheden en bovendien superieure functionaliteit behouden. Om deze redenen zijn geavanceerde keramische materialen ontwikkeld als essentiële materialen voor deze sector vanwege hun superieure thermische stabiliteit, elektrische isolatie, mechanische duurzaamheid en chemische bestendigheid.
In dit artikel worden de cruciale functies van geavanceerde keramiek in halfgeleidertoepassingen geanalyseerd en worden hun relatieve verdiensten ten opzichte van andere materialen gepresenteerd. Daarnaast worden verschillende belangrijke soorten keramiek geïdentificeerd en mogelijke hulpmiddelen voor het selecteren van de meest effectieve keramiek om de algehele prestaties te optimaliseren.
Wat is geavanceerde keramiek?
Geavanceerde keramiek, ook wel bekend als geconstrueerde keramiek of technische keramiek, is een materiaal met hoge prestaties dat geschikt is voor industriële doeleinden en speciale eigenschappen heeft. In tegenstelling tot traditionele keramiek, die meestal wordt geassocieerd met aardewerk en de bouw, geavanceerde keramiek hebben uitstekende thermische, mechanische en elektrische eigenschappen en zijn daarom zeer geschikt voor de productie van halfgeleiders.
Er zijn twee hoofdcategorieën waarin deze keramiek kan worden onderverdeeld:
-
Structurele keramiek: Ze zijn zo sterk en stevig dat ze gebruikt kunnen worden voor de productie van mechanische onderdelen en voor het bouwen van dragende objecten.
-
Biokeramiek: Vooral gebruikt in de medische sector, maar ook in de halfgeleiderproductie vanwege hun chemische stabiliteit en aangepaste functies.
Verschillende materialen vergelijken
De productie van halfgeleiders is afhankelijk van de materiaalkeuze, die bepalend is voor de prestaties, efficiëntie en levensduur. Door geavanceerde keramiek te vergelijken met veelgebruikte materialen zoals metalen, polymeren en traditionele keramiek, kunnen weloverwogen beslissingen worden genomen over hun respectievelijke voor- en nadelen.
Metalen
In het verleden werden metalen zoals aluminium of koper veelvuldig gebruikt in de productie van halfgeleiders vanwege hun uitstekende elektrische en thermische geleidbaarheid. Ze kampen echter met problemen op het gebied van oxidatie, corrosie en thermische uitzetting, wat de prestaties bij de hoogste temperaturen in gevaar kan brengen. Geavanceerde keramiek is daarentegen zeer goed bestand tegen hitte, slijtage en chemische degradatie en kan daarom een betere keuze zijn voor cruciale halfgeleidercomponenten die hun stabiliteit en levensduur moeten behouden.
Polymeren
Omdat ze licht en relatief goedkoop zijn, worden polymeren vaak gebruikt in elektronische verpakkingen. Vanwege hun slechte thermische en mechanische eigenschappen kunnen ze echter niet worden gebruikt in hoogwaardige halfgeleidertoepassingen. Om aan deze behoefte te voldoen, bieden geavanceerde keramieksoorten uitstekende hittebestendigheid, duurzaamheid en structurele stabiliteit, waardoor ze een broodnodig alternatief zijn voor halfgeleidercomponenten en een langere levensduur en hogere betrouwbaarheid garanderen.
Traditionele keramiek
Conventionele keramiek wordt in veel industrieën gebruikt, maar beschikt nog steeds niet over de fijne eigenschappen die nodig zijn voor halfgeleidertoepassingen. Traditionele keramiek is over het algemeen brozer en heeft een minder gecontroleerde microstructuur. Geavanceerde keramiek daarentegen is zorgvuldig ontworpen om betere elektrische, thermische of mechanische prestaties te bieden en is daarom essentieel voor kritische halfgeleideromgevingen.
Veelgebruikte geavanceerde keramische materialen
Hieronder vindt u een overzicht van enkele van de meest gebruikte geavanceerde keramische materialen, met beschrijvingen van hun belangrijkste eigenschappen die relevant zijn voor specifieke halfgeleidertoepassingen.
Aluminiumoxide (Al₂O₃)
Een van de meest gebruikte geavanceerde keramische materialen in halfgeleidertoepassingen is aluminiumoxide. Het staat bekend om zijn uitstekende elektrische isolatie, hoge thermische geleidbaarheid en sterke mechanische eigenschappen. Daarom is het geschikt voor gebruik in keramische bepantsering, keramische pantserplaten en keramische pantsercomponenten die een uitstekende slijtvastheid vereisen. Bovendien garandeert het gebruik ervan in substraten, isolatoren en waferdragers stabiliteit en efficiëntie in halfgeleiderprocessen.
Siliciumcarbide (SiC)
Een ander belangrijk keramisch halfgeleidermateriaal is siliciumcarbide vanwege de hoge thermische geleidbaarheid, hoge mechanische sterkte en lage thermische uitzetting. Het wordt veel gebruikt in apparatuur voor de verwerking van halfgeleiderwafers, warmtewisselaars en hoogfrequente elektronische toepassingen die effectieve warmteafvoer en materiaalstabiliteit vereisen. Naast halfgeleiders is SiC zeer duurzaam en wordt het daarom gebruikt in keramische kogelwerende vesten en keramische kogelwerende vesten.
Zirkonia (ZrO₂)
Zirkonia staat bekend om zijn uitstekende breuktaaiheid en thermische schokbestendigheid. De hoge duurzaamheid en oppervlakterobuustheid tegen onvermijdelijke temperatuurschommelingen maken het zeer geschikt voor gebruik in halfgeleiderbewerkingstools en waferverwerkingssystemen die langdurig in bedrijf moeten zijn. Naast toepassingen in de halfgeleiderindustrie wordt zirkonia ook veelvuldig gebruikt in keramische ballistische vesten en keramische kogelwerende platen ter bescherming tegen extreme impact.
Titaniumdiboride (TiB₂)
Titaniumdiboride is hard en elektrisch geleidend. Het wordt veel gebruikt in sputtertargets voor dunnefilmdepositieprocessen en biedt nauwkeurige materiaaltoepassingen in de halfgeleiderproductie. Vanwege de uitzonderlijke sterkte wordt het ook gebruikt in kogelwerende keramische platen en ballistische beschermingssystemen, wat aantoont dat het een breed scala aan toepassingen heeft in de elektronica en defensie.
Hoe kiest u de juiste geavanceerde keramiek?
De selectie van de beste geavanceerde keramiek voor halfgeleidertoepassingen is een complex proces dat niet kan worden uitgevoerd zonder rekening te houden met de prestaties van het materiaal onder verschillende bedrijfsomstandigheden. Om de beste keuze te maken, moeten ingenieurs rekening houden met hoe elk keramisch materiaal reageert met de halfgeleideromgeving. Hieronder bespreken we de belangrijkste aspecten en hoe deze de prestaties beïnvloeden.
Thermische stabiliteit
Omdat halfgeleidercomponenten doorgaans worden blootgesteld aan zeer sterke temperatuurschommelingen, moeten de gebruikte materialen bestand zijn tegen zeer hoge temperaturen zonder hun prestaties te verliezen. Het niet selecteren van de beste materialen leidt tot kromtrekken, scheuren en een lagere efficiëntie na verloop van tijd.
Siliciumcarbide (SiC) is bijvoorbeeld een goede keuze vanwege de hoge thermische geleidbaarheid en lage thermische uitzetting. Deze dubbele functies kunnen worden gecombineerd om het materiaal in staat te stellen warmte efficiënt af te voeren in vermogenselektronica en waferverwerkingsapparatuur, terwijl de structurele integriteit behouden blijft bij snelle temperatuurschommelingen. Aluminiumoxide (Al₂O₃) heeft een matige thermische geleidbaarheid, maar is een zeer goede isolator van elektriciteit. Dit maakt het een goede keuze voor warmtebeheersing met behoud van isolatieprestaties.
Mechanische sterkte
Bij de productie van halfgeleiders zijn precisiebewerkingen noodzakelijk, omdat ze te maken krijgen met mechanische belasting, schokken en herhaaldelijke handelingen. Als keramiek niet sterk genoeg is, kan het scheuren, slijten, voortijdig falen en leiden tot hogere onderhoudskosten en stilstand.
Zirkoniumoxide (ZrO₂) blinkt uit in toepassingen die een uitstekende breuktaaiheid vereisen, omdat het extreem slag- en thermische schokbestendig is. Het is daarom geschikt voor gereedschappen voor waferverwerking en apparatuur voor de productie van halfgeleiders die continu worden gebruikt. Bovendien is siliciumcarbide (SiC) hard en slijtvast, waardoor het ideaal is voor toepassingen met hoge spanningen waarbij duurzaamheid belangrijk is.
Elektrische eigenschappen
Er zijn toepassingen van halfgeleiders die een hoge elektrische isolatie of gecontroleerde geleidbaarheid vereisen. Onjuiste materiaalkeuze kan leiden tot vermogensverlies, oververhitting of interferentie met zeer gevoelige elektronische circuits.
Omdat een hoge diëlektrische sterkte noodzakelijk is in toepassingen zoals substraten en isolatoren, heeft aluminiumoxide (Al₂O₃) de voorkeur. Het biedt een uitstekende diëlektrische doorslagweerstand, waardoor een stabiele werking in hoogspanningsomgevingen mogelijk is. Daarentegen kan titaniumdiboride (TiB₂) in gevallen waar elektrische geleiding vereist is, zoals sputtertargets voor dunnefilmdepositie, effectief elektriciteit geleiden, ondanks de mechanische stabiliteit.
Chemische bestendigheid
In de halfgeleiderindustrie worden componenten vaak ondergedompeld in corrosieve chemicaliën, reactieve gassen en zeer zuivere omgevingen. Degradatie van keramiek dat structureel instabiel is door chemische instabiliteit kan optreden, wat kan leiden tot structurele verzwakking of verontreiniging van kwetsbare halfgeleidermaterialen.
Als u een materiaal nodig heeft dat bestand is tegen oxidatie, zuren en logen, is siliciumcarbide (SiC) een van de meest betrouwbare materialen. Het is daarom onmisbaar voor halfgeleiderverwerkingskamers en chemisch agressieve omgevingen. Al₂O₃, een ander oxide, heeft ook een sterke chemische inertheid en is toepasbaar in productieprocessen met een hoge zuiverheid die materiaalintegriteit vereisen.
Conclusie
Waar traditionele materialen mindere prestaties leveren, is geavanceerde keramiek de perfecte oplossing gebleken voor optimale stabiliteit, duurzaamheid en betrouwbaarheid. Zo biedt siliciumcarbide uitstekende hittebestendigheid bij de verwerking van wafers, terwijl zirkoniumoxide bestand is tegen beschadigingen door harde precisiegereedschappen. De keuze van het juiste materiaal is niet alleen een kwestie van technische vereisten, maar ook van hoe efficiënt het is, hoe het kostbare storingen voorkomt en hoe stabiel het op lange termijn hoge prestaties handhaaft in elke werkomgeving. Naarmate halfgeleidertoepassingen complexer worden, zal het strategische gebruik van de beste geavanceerde keramiek een sleutelfactor zijn om de grenzen van prestaties, innovatie en vormgeving te verleggen en de top van de volgende generatie elektronische technologie te bereiken.