Wraz z szybkim tempem rozwoju przemysłu półprzewodnikowego istnieje potrzeba szybszych, wydajniejszych i wysoce niezawodnych urządzeń elektronicznych. Producenci, którzy sprzedają te ceramiczne materiały półprzewodnikowe, stając się coraz bardziej wyrafinowanymi, są zmuszeni do wybierania materiałów, które mogą wytrzymać takie warunki i, co więcej, zachować wyższą funkcjonalność. Z tych powodów zaawansowana ceramika została opracowana jako niezbędne materiały dla tej dziedziny ze względu na ich wyższą stabilność termiczną, izolację elektryczną, trwałość mechaniczną i odporność chemiczną.
W tym artykule przeanalizowano kluczowe funkcje zaawansowanej ceramiki w zastosowaniach półprzewodnikowych, przedstawiono jej względną zaletę w porównaniu z innymi materiałami, a także zidentyfikowano kilka kluczowych typów ceramiki i potencjalne czynniki pomocne w wyborze najskuteczniejszej ceramiki w celu optymalizacji ogólnej wydajności.
Czym jest Advanced Ceramics?
Zaawansowana ceramika, znana również jako ceramika inżynieryjna lub ceramika techniczna, to materiał o wysokiej wydajności, który może być używany do celów przemysłowych, mając szczególne właściwości. W przeciwieństwie do tradycyjnej ceramiki, która jest zwykle kojarzona z garncarstwem i budownictwem, zaawansowana ceramika charakteryzują się doskonałymi właściwościami termicznymi, mechanicznymi i elektrycznymi, co czyni je idealnymi do produkcji półprzewodników.
Ceramikę tę można podzielić na dwie główne kategorie:
-
Ceramika konstrukcyjna: Są tak mocne i wytrzymałe, że można z nich tworzyć elementy mechaniczne i konstrukcje nośne.
-
Ceramika bio: Stosowane są szczególnie w medycynie, ale także w produkcji półprzewodników ze względu na ich stabilność chemiczną i niestandardowe funkcje.
Porównanie różnych materiałów
Produkcja półprzewodników opiera się na wyborze materiałów, które określają wydajność, efektywność, a także żywotność. Porównanie zaawansowanej ceramiki z powszechnie stosowanymi materiałami, takimi jak metale, polimery i tradycyjna ceramika, pozwala na podejmowanie świadomych decyzji dotyczących ich zalet i wad.
Metale
W przeszłości metale takie jak aluminium lub miedź były szeroko stosowane w produkcji półprzewodników ze względu na ich doskonałą przewodność elektryczną i cieplną. Jednak napotykają one problemy pod względem utleniania, korozji i rozszerzalności cieplnej, co może mieć negatywny wpływ na wydajność w warunkach najwyższej temperatury. Z drugiej strony, zaawansowana ceramika jest bardzo odporna na ciepło, zużycie i degradację chemiczną i może być zatem lepszym wyborem dla kluczowych komponentów półprzewodnikowych, które muszą zachować swoją stabilność i długowieczność.
Polimery
Ponieważ są lekkie i stosunkowo niedrogie, polimery są powszechnie stosowane w opakowaniach elektronicznych. Jednak ze względu na ich słabe właściwości termiczne i mechaniczne nie mogą być stosowane w wysoko wydajnych zastosowaniach półprzewodnikowych. Aby zaspokoić tę potrzebę, zaawansowana ceramika oferuje wyjątkową odporność na ciepło, trwałość i stabilność strukturalną, co czyni ją bardzo potrzebną alternatywą dla komponentów półprzewodnikowych, zapewniając dłuższy cykl życia i lepszą niezawodność.
Ceramika tradycyjna
Konwencjonalna ceramika była używana w wielu gałęziach przemysłu, ale nadal nie posiadała doskonałych właściwości wymaganych do zastosowań półprzewodnikowych. Tradycyjna ceramika jest ogólnie bardziej krucha i ma słabszą kontrolowaną mikrostrukturę. Z drugiej strony, zaawansowana ceramika jest starannie projektowana, aby oferować lepsze parametry elektryczne, termiczne lub mechaniczne, a zatem jest niezbędna w krytycznych środowiskach półprzewodnikowych.
Najczęściej stosowane zaawansowane materiały ceramiczne
Poniżej wymieniono niektóre z najpopularniejszych zaawansowanych materiałów ceramicznych wraz z opisami ich głównych właściwości odpowiednich do konkretnych zastosowań w półprzewodnikach.
Tlenek glinu (Al₂O₃)
Jednym z najpowszechniej stosowanych zaawansowanych materiałów ceramicznych w zastosowaniach półprzewodnikowych jest tlenek glinu. Uważa się, że ma on doskonałą izolację elektryczną, wysoką przewodność cieplną i silne właściwości mechaniczne. Dlatego nadaje się do stosowania w pancerzach ceramicznych, płytach pancerza ceramicznego, a także w elementach pancerza ceramicznego, które wymagają doskonałej odporności na zużycie. Ponadto jego stosowanie w podłożach, izolatorach i nośnikach płytek gwarantuje stabilność i wydajność w procesach półprzewodnikowych.
Węglik krzemu (SiC)
Innym krytycznym materiałem półprzewodnikowym ceramicznym jest węglik krzemu ze względu na wysoką przewodność cieplną, wysoką wytrzymałość mechaniczną i niską rozszerzalność cieplną. Jest szeroko stosowany w sprzęcie do przetwarzania płytek półprzewodnikowych, wymiennikach ciepła, a także w zastosowaniach elektronicznych o wysokiej częstotliwości, wymagających skutecznego rozpraszania ciepła i stabilności materiału. Oprócz półprzewodników, SiC jest bardzo trwały, dlatego jest wykorzystywany w zastosowaniach ceramicznych pancerzy i ceramicznych kamizelek kuloodpornych.
Cyrkonia (ZrO₂)
Cyrkonia ma dobrze znaną doskonałą wytrzymałość na pękanie, a także odporność na szok termiczny. Jej wysoka trwałość i odporność powierzchni na nieuniknione skoki temperatury sprawiają, że doskonale nadaje się do stosowania w narzędziach do przetwarzania półprzewodników i systemach obsługi płytek, które muszą działać przez długi czas. Oprócz zastosowań półprzewodnikowych, cyrkonia znajduje szerokie zastosowanie w ceramicznych kamizelkach balistycznych i ceramicznych płytach kuloodpornych w celu ochrony przed ekstremalnymi uderzeniami.
Dwuborek tytanu (TiB₂)
Dwuborek tytanu jest twardy i przewodzący prąd elektryczny. Jest często stosowany w celach rozpylania w procesach osadzania cienkich warstw i zapewnia precyzyjną aplikację materiału w produkcji półprzewodników. Jest również stosowany w kuloodpornych płytach ceramicznych i systemach ochrony balistycznej ze względu na swoją wyjątkową wytrzymałość, co pokazuje, że ma szeroki zakres zastosowań w elektronice i obronności.
Jak wybrać odpowiednią zaawansowaną ceramikę
Wybór najlepszej zaawansowanej ceramiki do zastosowań półprzewodnikowych to złożony proces, którego nie można przeprowadzić bez uwzględnienia wydajności materiału w różnych warunkach pracy. Aby dokonać najlepszego wyboru, inżynierowie muszą wziąć pod uwagę, jak każdy materiał ceramiczny reaguje ze środowiskiem półprzewodnikowym. Poniżej omawiamy główne aspekty i ich wpływ na wydajność.
Stabilność termiczna
Ponieważ komponenty półprzewodnikowe są zwykle poddawane bardzo dużym wahaniom temperatury, użyte materiały muszą być w stanie wytrzymać bardzo wysokie temperatury bez utraty wydajności. Niewybranie najlepszych materiałów powoduje odkształcenia, pęknięcia i mniejszą wydajność w czasie.
Na przykład węglik krzemu (SiC) jest dobrym wyborem z wysoką przewodnością cieplną i niską rozszerzalnością cieplną. Te dwie funkcje można łączyć, aby umożliwić materiałowi wydajne rozpraszanie ciepła w elektronice mocy i sprzęcie do przetwarzania płytek, zachowując jednocześnie integralność strukturalną przy szybkich zmianach temperatury. Podobnie tlenek glinu (Al₂O₃) posiada umiarkowaną przewodność cieplną, ale jest bardzo dobrym izolatorem elektryczności, co czyni go dobrym wyborem do kontrolowania ciepła, ale utrzymując wydajność izolacji.
Wytrzymałość mechaniczna
W produkcji półprzewodników konieczne są precyzyjne operacje, ponieważ muszą one być poddawane naprężeniom mechanicznym, uderzeniom i wielokrotnemu obchodzeniu się. Jeśli ceramika nie jest wystarczająco wytrzymała, może pęknąć, zużyć się, przedwcześnie zawieść i zwiększyć koszty konserwacji i przestoje.
Cyrkonia (ZrO₂) wyróżnia się w zastosowaniach wymagających fantastycznej odporności na pękanie, ponieważ jest niezwykle odporna na uderzenia i szok termiczny. Dlatego nadaje się do narzędzi do obróbki płytek i sprzętu do produkcji półprzewodników poddawanego ciągłemu użytkowaniu. Ponadto węglik krzemu (SiC) jest twardy i dobrze się zużywa, dlatego idealnie nadaje się do zastosowań o dużym naprężeniu, w których trwałość ma duże znaczenie.
Właściwości elektryczne
Istnieją zastosowania półprzewodników, które wymagają albo wysokiej izolacji elektrycznej, albo kontrolowanej przewodności. Nieprawidłowy dobór materiału może skutkować utratą mocy, przegrzaniem lub zakłóceniami w bardzo wrażliwych obwodach elektronicznych.
Ponieważ wysoka wytrzymałość dielektryczna jest konieczna w zastosowaniach takich jak podłoża i izolatory, preferowany jest tlenek glinu (Al₂O₃). Oferuje on doskonałą odporność na przebicie dielektryczne, umożliwiając utrzymanie stabilnej pracy w środowisku wysokiego napięcia. Natomiast w przypadkach, w których wymagana jest przewodność elektryczna, takich jak cele rozpylania do osadzania cienkich warstw, dwuborek tytanu (TiB₂) może skutecznie przewodzić prąd elektryczny pomimo swojej stabilności mechanicznej.
Odporność chemiczna
W przemyśle półprzewodnikowym komponenty są często zanurzane w żrących chemikaliach, gazach reaktywnych, a także w środowiskach o wysokiej czystości. Może dojść do degradacji ceramiki, która jest strukturalnie niestabilna z powodu niestabilności chemicznej, co skutkuje osłabieniem strukturalnym lub zanieczyszczeniem kruchych materiałów półprzewodnikowych.
Jeśli potrzebujesz materiału odpornego na utlenianie, kwasy i zasady, węglik krzemu (SiC) jest jednym z najbardziej niezawodnych materiałów. Jest on niezbędny w komorach przetwarzania półprzewodników i środowiskach chemicznie agresywnych z tego powodu. Al₂O₃, jako inny tlenek, ma również silną obojętność chemiczną i nadaje się do procesów produkcyjnych o wysokiej czystości, które wymagają integralności materiału.
Wniosek
Tam, gdzie tradycyjne materiały mają niższą wydajność, zaawansowana ceramika wyłoniła się jako idealne rozwiązanie zapewniające optymalną stabilność, trwałość i niezawodność. Na przykład węglik krzemu oferuje doskonałą odporność na ciepło w obróbce płytek, podczas gdy tlenek cyrkonu jest odporny na uszkodzenia spowodowane uderzeniami twardych, precyzyjnych narzędzi. Wybór odpowiedniego materiału nie dotyczy tylko wymagań inżynieryjnych, ale także jego wydajności, zapobiegania kosztownym awariom i długoterminowej stabilności, która utrzymuje wysoką wydajność w każdym środowisku operacyjnym. W miarę jak zastosowania półprzewodników stają się coraz bardziej złożone, strategiczne wykorzystanie najlepszej zaawansowanej ceramiki będzie kluczowym czynnikiem w przesuwaniu granic wydajności, innowacji i formacji oraz zdobywaniu szczytu technologii elektronicznej nowej generacji.