Źródło

W miarę jak branże podnoszą granice technologii, popyt na wysoko wydajne komponenty elektroniczne rośnie. Ceramika półprzewodnikowa jest cennym komponentem w elektronice mocy, telekomunikacji, lotnictwie, urządzeniach medycznych i innych, jednak kruchość, nieefektywność cieplna i ograniczenia przetwarzania ograniczają ich potencjał.

Poprawa tych ograniczeń jest napędzana przez zaawansowane materiały ceramiczne, które będą dalej zwiększać wydajność, trwałość i miniaturyzację. Celem tego artykułu jest rzucenie światła na ich rolę, jak mogą być korzystne, wyzwania, przed którymi stoją i jak będą kształtować przyszłość technologii półprzewodnikowej.

Czym są półprzewodniki ceramiczne?

Źródło

Materiały półprzewodnikowe ceramiczne są specjalnie zaprojektowane do zastosowań elektronicznych o wysokiej wydajności, doskonałej stabilności termicznej, wytrzymałości mechanicznej i odporności chemicznej. Dzieje się tak, ponieważ te materiały są niezwykle stabilne w ekstremalnych warunkach, w których obecne komponenty są narażone na intensywne ciepło, naprężenia mechaniczne lub uszkodzenia chemiczne. Są one niezbędne dla elektroniki mocy, czujników i urządzeń o wysokiej częstotliwości ze względu na ich zdolność do wytrzymywania takich warunków i niezawodność w zastosowaniach długowieczności i stabilności.

Zalety stosowania zaawansowanych materiałów ceramicznych

Chociaż ceramiczne materiały półprzewodnikowe są mocnymi materiałami na początek, są ograniczone przez wrodzone właściwości, które należy przezwyciężyć, gdy rosną wymagania obecnych systemów elektronicznych. To właśnie tutaj zaawansowane materiały ceramiczne wkraczają z takimi korzyściami, jak:

Zwiększona przewodność cieplna

Zarządzanie termiczne jest jednym z najważniejszych czynników wydajności półprzewodników. Nagromadzenie ciepła powyżej dopuszczalnego limitu może spowodować degradację wnętrza elektroniki, a jej wydajność zostanie zmniejszona lub system może ulec awarii. Przewodność cieplna zaawansowanych materiałów ceramicznych, takich jak azotek glinu (AlN) i węglik krzemu (SiC), jest tak dobra, że ciepło może być skuteczniej odprowadzane.

Gwarantuje to stabilną pracę w warunkach dużej mocy. Zaawansowana ceramika może również pomóc w zarządzaniu ciepłem, a ich izolacja elektryczna jest ulepszona, co czyni je odpowiednimi do zastosowań o wysokiej częstotliwości wymagających stabilności. Ze względu na zalety elektryczne i konstrukcyjne, niektóre z tych materiałów mają właściwości półprzewodnikowe i mogą być zintegrowane w urządzeniach do konwersji mocy, aplikacjach RF i obwodach mikroelektronicznych.

Poprawiona wytrzymałość mechaniczna

Niezawodność mechaniczna ma najwyższy priorytet w przypadku komponentów półprzewodnikowych stosowanych w motoryzacji, lotnictwie i przemyśle. Ceramiczne materiały półprzewodnikowe są zazwyczaj kruche, podatne na pęknięcia i uszkodzenia mechaniczne. Integralność strukturalna jest zwiększana dzięki zastosowaniu zaawansowanych materiałów ceramicznych, takich jak tlenek cyrkonu i tlenek glinu, co zwiększa efekt uderzenia, a tym samym wydłuża cykl życia komponentów półprzewodnikowych.

W ostatnich latach osiągnięto większą wytrzymałość dzięki ceramice wzmacnianej włóknami i formulacji kompozytowej, co pozwala częściom pozostać nienaruszonym pomimo wstrząsów mechanicznych, wibracji i wahań ciśnienia. Ten postęp zapewnia, że zastosowania półprzewodników pozostają wysoce niezawodne w najtrudniejszych warunkach.

Zaawansowana miniaturyzacja

Miniaturyzacja jest znaczącą siłą napędową w rozwoju półprzewodników właśnie z powodu rosnącego popytu na mniejsze, mocniejsze urządzenia elektroniczne. Produkcja precyzyjnej ceramiki jest możliwa dzięki zaawansowanym materiałom ceramicznym, które są bardzo odpowiednie dla mikro-elektro-mechanicznych systemów (MEMS) lub innych kompaktowych urządzeń.

Dzięki zastosowaniu najnowocześniejszych metod produkcji, takich jak nanostrukturyzowane materiały ceramiczne i ultracienkie warstwy ceramiczne, nadal można wytwarzać miniaturowe komponenty półprzewodnikowe napędzane wysoką trwałością elektryczną i mechaniczną. Taka możliwość pozwala na budowę kolejnej generacji kompaktowej, wysoko wydajnej elektroniki bez poświęcania wytrzymałości.

Zoptymalizowane zastosowanie i przetwarzanie ceramiki

Aby w pełni wykorzystać zalety ceramicznych materiałów półprzewodnikowych, producenci powinni skoncentrować się na zaawansowanych technikach przetwarzania, które mogą poprawić ich wydajność. Dzięki wykorzystaniu technik, w tym prasowania izostatycznego na gorąco, precyzyjnego szlifowania i obróbki wspomaganej laserowo, producenci ceramiki elektronicznej są w stanie dostroić właściwości materiału w celu uzyskania lepszych zastosowań.

Poprawę integralności strukturalnej i przewodności elektrycznej w materiałach półprzewodnikowych ceramicznych można uzyskać poprzez optymalizację spiekania, domieszkowania i integracji kompozytów, ponieważ standardy zastosowań półprzewodników stają się coraz bardziej wymagające.

Wysoka odporność na trudne warunki środowiskowe

Często materiały używane jako półprzewodniki muszą działać w nieodpowiednich warunkach, takich jak ekstremalne środowiska, w których konwencjonalne materiały mogą ulec degradacji lub awarii. Ze względu na wyjątkową odporność na utlenianie, korozję i narażenie na działanie substancji chemicznych, zaawansowane materiały ceramiczne stały się doskonałym wyborem w takich branżach jak przemysł lotniczy i urządzenia medyczne, a także w przemyśle samochodowym w obszarach zastosowań półprzewodników.

Ponadto materiały te są testowane pod kątem zastosowań kosmicznych, które obejmują środowiska próżniowe, intensywne narażenie na promieniowanie i ekstremalne zmiany temperatury. Fakt, że mogą pozostać strukturalnie i elektrycznie nienaruszone w takich warunkach, nadaje im znaczenie dla najnowocześniejszych technologii.

Typowe wady w zastosowaniach ceramiki półprzewodnikowej

Źródło

Ceramiczne materiały półprzewodnikowe oferują ważne korzyści, ale jednocześnie towarzyszą im przeszkody, które wymagają rozwiązań dla najwyższej wydajności i skalowalności. Oto niektóre z najważniejszych przeszkód i rozwiązań, które są opracowywane w celu ich przezwyciężenia.

Wytrzymałość materiału

Wiadomo, że ceramiczne półprzewodniki są bardzo kruche, co oznacza, że są podatne na pęknięcia i uszkodzenia mechaniczne pod wpływem dużego naprężenia. Aby sobie z tym poradzić, producenci wykorzystują wzmocnione kompozyty ceramiczne, na przykład tlenek glinu wzmocniony cyrkonią (ZTA), aby zwiększyć odporność na pękanie. Ponadto, w celu zwiększenia wytrzymałości i trwałości materiału stosuje się prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP) i niektóre techniki wytwarzania addytywnego.

Problemy z zarządzaniem cieplnym

Chociaż mają doskonałe właściwości izolacji termicznej, niektóre ceramiczne półprzewodniki mają trudności z odprowadzaniem ciepła i cierpią na nieefektywność działania w zastosowaniach o dużej mocy. Zaobserwowano, że zwiększenie transferu ciepła jest dobrze ułatwione przez włączenie materiałów o wysokiej przewodności cieplnej, takich jak azotek glinu (AlN) lub węglik krzemu (SiC). Ponadto w elektronice mocy lepszą wydajność chłodzenia uzyskuje się, jeśli ceramiczne radiatory i materiały interfejsu termicznego są zoptymalizowane.

Złożoność produkcji

Produkcja ceramicznych materiałów półprzewodnikowych to bardzo złożony proces produkcyjny, który często może być dość czasochłonny i kosztowny. Aby umożliwić powszechne wykorzystanie tych materiałów, producenci przyjmują metody produkcji opartej na sztucznej inteligencji, zautomatyzowanej obróbki precyzyjnej i najnowszej i najlepszej metody PPS, mianowicie spiekania plazmowego iskrowego (SPS). Te innowacje nie tylko skracają czas produkcji, ale także poprawiają spójność i jakość materiału.

Przewodność elektryczna

Wiadomo, że ceramiczne materiały półprzewodnikowe są izolacyjne, ale niektóre zastosowania wymagają zwiększonej przewodności elektrycznej. Do tej pory inżynierowie byli w stanie domieszkować te materiały pierwiastkami takimi jak lantan i itr, aby zmienić ich właściwości elektryczne. Są one również ulepszone za pomocą rozwiązań hybrydowych, takich jak kompozyt metalowo-ceramiczny, które poprawiają parametry elektryczne ceramiki, zachowując jednocześnie trwałość.

Degradacja środowiska

Materiały półprzewodnikowe ceramiczne, które mają być produkowane, wymagają wysokich temperatur i energochłonnych procesów, co jest kwestią dotyczącą zrównoważonego rozwoju środowiska. Aby odpowiedzieć na to, producenci opracowują przyjazne dla środowiska techniki spiekania wykorzystujące odnawialne źródła energii i inicjatywy recyklingu w celu zminimalizowania odpadów przemysłowych. Innymi sposobami, w jakie przemysł poszukuje sposobów na zmniejszenie wpływu na środowisko, są biodegradowalne i nadające się do ponownego użycia materiały ceramiczne.

Innowacje przed nami

Źródło

Przemysł półprzewodników stale się rozwija, a zaawansowane materiały ceramiczne są istotne w jego przyszłości. Oto niektóre innowacje, które mają na celu zdefiniowanie na nowo możliwości ceramicznych materiałów półprzewodnikowych.

• Zastosowania nanotechnologii: Małe materiały ceramiczne są rozwijane w skali nano, co pozwala na produkcję ultra-małych, ultra-wydajnych półprzewodników, które nie tylko są bardziej efektywne, ale też wydajniejsze i lepiej odprowadzają ciepło.

• Hybrydowe materiały półprzewodnikowe ceramiczno-metalowe: Łącząc elementy ceramiczne z elementami metalowymi, uzyskuje się hybrydyzację wydajności elektrycznej, co sprawia, że hybrydowe materiały ceramiczno-metalowe stają się coraz bardziej popularne i dobrze nadają się do zasilania urządzeń elektronicznych, akumulatorów pojazdów elektrycznych i odnawialnych źródeł energii.

• Zrównoważona obróbka ceramiki: Przyjazne dla środowiska i nadające się do recyklingu metody spiekania materiałów ceramicznych prowadzą do zrównoważonej produkcji półprzewodników, która nie wpływa negatywnie na wydajność, a jednocześnie zmniejsza wpływ na środowisko.

Ostatnie przemyślenia

Dla producenta ceramiki elektronicznej, który chciałby rozwijać lepszą technologię półprzewodników, zaawansowane materiały ceramiczne mają niezrównane zalety w zakresie obsługi termicznej, wytrzymałości mechanicznej i wydajności elektrycznej. Powodem, dla którego przyczyniają się do rozwoju elektroniki mocy, telekomunikacji lub mikroelektroniki, jest fakt, że mogą zwiększać wydajność i zrównoważony rozwój. A dzięki postępowi technologicznemu te materiały ceramiczne będą najwyższym priorytetem w elektronice o wysokiej wydajności i inżynierii precyzyjnej.