Com a rápida evolução da indústria de semicondutores, há uma necessidade de dispositivos eletrônicos mais rápidos, eficientes e altamente confiáveis. À medida que se tornam mais sofisticados, os fabricantes que vendem esses materiais semicondutores cerâmicos são forçados a selecionar materiais que possam suportar tais condições e, ainda mais, manter funcionalidade superior. Por essas razões, cerâmicas avançadas têm sido desenvolvidas como materiais essenciais para esse setor, devido à sua superior estabilidade térmica, isolamento elétrico, durabilidade mecânica e resistência química.
Neste artigo, as funções cruciais das cerâmicas avançadas em aplicações de semicondutores são analisadas e seus méritos relativos em comparação a outros materiais são apresentados, juntamente com a identificação de vários tipos principais de cerâmica e possíveis auxiliares para selecionar as cerâmicas mais eficazes para otimizar o desempenho geral.
O que são cerâmicas avançadas?
Cerâmicas avançadas, também conhecidas como cerâmicas de engenharia ou cerâmicas técnicas, são materiais de alto desempenho que podem ser utilizados para fins industriais, apresentando propriedades especiais. Ao contrário das cerâmicas tradicionais, geralmente associadas à cerâmica e à construção civil, cerâmica avançada são excelentes em características térmicas, mecânicas e elétricas, muito adequados para a fabricação de semicondutores.
Existem duas categorias principais nas quais essas cerâmicas podem ser divididas:
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Cerâmica estrutural: Tão fortes e resistentes que podem ser usados para criar componentes mecânicos e construir itens de suporte de carga.
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Biocerâmica: Usado especialmente na área médica, mas também na produção de semicondutores devido à sua estabilidade química e funções personalizadas.
Comparando diferentes materiais
A fabricação de semicondutores depende da escolha dos materiais, que determinam o desempenho, a eficiência e a vida útil. Comparar cerâmicas avançadas com materiais comumente utilizados, como metais, polímeros e cerâmicas tradicionais, permite tomar decisões informadas sobre suas respectivas vantagens e desvantagens.
Metais
No passado, metais como alumínio ou cobre foram amplamente utilizados na fabricação de semicondutores devido à sua excelente condutividade elétrica e térmica. No entanto, eles enfrentam problemas de oxidação, corrosão e expansão térmica, o que pode comprometer o desempenho em condições de temperatura mais elevadas. Por outro lado, cerâmicas avançadas são muito resistentes ao calor, ao desgaste e à degradação química e, portanto, podem ser uma escolha melhor para componentes semicondutores cruciais que precisam manter sua estabilidade e longevidade.
Polímeros
Por serem leves e relativamente baratos, os polímeros são comumente utilizados em encapsulamentos eletrônicos. No entanto, devido às suas baixas propriedades térmicas e mecânicas, não podem ser utilizados em aplicações de semicondutores de alto desempenho. Para atender a essa necessidade, as cerâmicas avançadas oferecem excelente resistência ao calor, durabilidade e estabilidade estrutural, tornando-as uma alternativa muito necessária aos componentes semicondutores, garantindo maior ciclo de vida útil e maior confiabilidade.
Cerâmica Tradicional
Cerâmicas convencionais têm sido utilizadas em diversos setores, mas ainda não possuem as propriedades refinadas necessárias para aplicações em semicondutores. As cerâmicas tradicionais são geralmente mais frágeis e apresentam microestrutura menos controlada. Por outro lado, as cerâmicas avançadas são cuidadosamente projetadas para oferecer melhor desempenho elétrico, térmico ou mecânico e, portanto, são essenciais para ambientes semicondutores críticos.
Materiais cerâmicos avançados comumente usados
Algumas das cerâmicas avançadas mais amplamente utilizadas estão listadas aqui, com descrições de suas principais propriedades apropriadas para aplicações específicas de semicondutores.
Óxido de alumínio (Al₂O₃)
Uma das cerâmicas avançadas mais amplamente utilizadas em aplicações de semicondutores é o óxido de alumínio. É considerado um excelente isolante elétrico, alta condutividade térmica e fortes propriedades mecânicas. Portanto, é adequado para uso em armaduras cerâmicas, placas de armadura cerâmica, bem como em componentes de armadura cerâmica que exigem excelente resistência ao desgaste. Além disso, seu uso em substratos, isoladores e portadores de wafers garante estabilidade e eficiência em processos semicondutores.
Carboneto de silício (SiC)
Outro material semicondutor cerâmico essencial é o carboneto de silício, devido à sua alta condutividade térmica, alta resistência mecânica e baixa expansão térmica. É amplamente utilizado em equipamentos de processamento de wafers semicondutores, trocadores de calor, bem como em aplicações eletrônicas de alta frequência que exigem dissipação de calor eficaz e estabilidade do material. Além de semicondutor, o SiC é muito durável, sendo utilizado em armaduras corporais e coletes à prova de balas de cerâmica.
Zircônia (ZrO₂)
A zircônia possui reconhecida tenacidade à fratura, bem como resistência ao choque térmico. Sua alta durabilidade e robustez superficial contra picos inevitáveis de temperatura a tornam adequada para uso em ferramentas de processamento de semicondutores e sistemas de manuseio de wafers que exigem operação prolongada. Além de suas aplicações em semicondutores, a zircônia é amplamente utilizada em coletes balísticos cerâmicos e placas cerâmicas à prova de balas para proteção contra impactos extremos.
Diboreto de titânio (TiB₂)
O diboreto de titânio é duro e eletricamente condutor. É frequentemente utilizado em alvos de pulverização catódica para processos de deposição de filmes finos e proporciona aplicação precisa de material na fabricação de semicondutores. Também é utilizado em placas cerâmicas à prova de balas e sistemas de proteção balística devido à sua resistência excepcional, demonstrando sua ampla gama de aplicações em eletrônica e defesa.
Como escolher a cerâmica avançada certa
A seleção da melhor cerâmica avançada para aplicações em semicondutores é um processo complexo que não pode ser realizado sem considerar o desempenho do material sob diversas condições operacionais. Para fazer a melhor escolha, os engenheiros precisam considerar como cada material cerâmico reage com o ambiente semicondutor. A seguir, discutimos os principais aspectos e como eles afetam o desempenho.
Estabilidade térmica
Como os componentes semicondutores geralmente são submetidos a variações de temperatura muito severas, os materiais utilizados devem ser capazes de suportar temperaturas muito elevadas sem perder seu desempenho. A não seleção dos melhores materiais resulta em deformações, rachaduras e redução da eficiência ao longo do tempo.
Por exemplo, o carboneto de silício (SiC) é uma boa escolha, com alta condutividade térmica e baixa expansão térmica. Essas funções duplas podem ser combinadas para permitir que o material dissipe calor de forma eficiente em eletrônica de potência e equipamentos de processamento de wafers, mantendo a integridade estrutural mesmo em mudanças bruscas de temperatura. Da mesma forma, o óxido de alumínio (Al₂O₃) possui condutividade térmica moderada, mas é um excelente isolante de eletricidade, o que o torna uma boa escolha para controlar o calor, mantendo o desempenho de isolamento.
Resistência mecânica
Na fabricação de semicondutores, operações de precisão são necessárias, pois eles precisam ser submetidos a estresse mecânico, impacto e manuseio repetido. Se a cerâmica não for suficientemente resistente, pode rachar, desgastar-se, falhar prematuramente e aumentar os custos de manutenção e o tempo de inatividade.
A zircônia (ZrO₂) se destaca em aplicações que exigem excelente tenacidade à fratura, pois é extremamente resistente a impactos e choques térmicos. Portanto, é adequada para ferramentas de processamento de wafers e equipamentos de fabricação de semicondutores sujeitos a uso contínuo. Além disso, o carboneto de silício (SiC) é duro e resistente ao desgaste, sendo, portanto, ideal para aplicações de alta tensão, onde a durabilidade é importante.
Propriedades elétricas
Existem aplicações de semicondutores que exigem alto isolamento elétrico ou condutividade controlada. A seleção incorreta do material pode resultar em perda de potência, superaquecimento ou interferência em circuitos eletrônicos muito sensíveis.
Como a alta rigidez dielétrica é necessária em aplicações como substratos e isolantes, o óxido de alumínio (Al₂O₃) é o preferido. Ele oferece excelente resistência à ruptura dielétrica, permitindo manter uma operação estável em ambientes de alta tensão. Em contraste, em casos onde a condutividade elétrica é necessária, como alvos de pulverização catódica para a deposição de filmes finos, o diboreto de titânio (TiB₂) pode conduzir eletricidade com eficácia, apesar de sua estabilidade mecânica.
Resistência química
Nas indústrias de fabricação de semicondutores, os componentes são frequentemente imersos em produtos químicos corrosivos, gases reativos e ambientes de alta pureza. A degradação de uma cerâmica estruturalmente instável devido à instabilidade química pode ocorrer, resultando em enfraquecimento estrutural ou contaminação de materiais semicondutores frágeis.
Se você precisa de um material resistente à oxidação, ácidos e álcalis, o carboneto de silício (SiC) é um dos materiais mais confiáveis. É indispensável para câmaras de processamento de semicondutores e ambientes quimicamente agressivos devido a isso. O Al₂O₃, como outro óxido, também possui forte inércia química e é aplicável a processos de fabricação de alta pureza que exigem integridade do material.
Conclusão
Onde os materiais tradicionais apresentam desempenho inferior, as cerâmicas avançadas surgiram como a solução perfeita para estabilidade, durabilidade e confiabilidade ideais. Por exemplo, o carboneto de silício oferece excelente resistência ao calor no processamento de wafers, enquanto o óxido de zircônio resiste a danos causados por impactos de ferramentas de precisão. A escolha do material certo não se resume apenas aos requisitos de engenharia, mas também à sua eficiência, à prevenção de falhas dispendiosas e à estabilidade a longo prazo que mantém, garantindo alto desempenho em qualquer ambiente operacional. À medida que as aplicações de semicondutores se tornam mais complexas, o uso estratégico das melhores cerâmicas avançadas será um fator-chave para expandir os limites de desempenho, inovação e formação, e alcançar o auge da tecnologia eletrônica de última geração.