С быстрым темпом развития полупроводниковой промышленности возникает потребность в более быстрых, эффективных и высоконадежных электронных устройствах. Производители, которые продают эти керамические полупроводниковые материалы, по мере того, как они становятся все более сложными, вынуждены выбирать материалы, которые могут выдерживать такие условия и, что еще важнее, сохранять превосходную функциональность. По этим причинам передовая керамика была разработана как необходимый материал для этой области из-за ее превосходной термической стабильности, электроизоляции, механической прочности и химической стойкости.
В данной статье анализируются важнейшие функции современной керамики в полупроводниковых приложениях, а также представлены ее сравнительные преимущества по сравнению с другими материалами, а также определены несколько основных типов керамики и потенциальных помощников для выбора наиболее эффективной керамики с целью оптимизации общих характеристик.
Что такое передовая керамика?
Продвинутая керамика, также известная как инженерная керамика или техническая керамика, представляет собой материал, который имеет высокие эксплуатационные характеристики, который может использоваться в промышленных целях, имея особые свойства. В отличие от традиционной керамики, которая обычно связана с гончарным делом и строительством, передовая керамика обладают выдающимися термическими, механическими и электрическими характеристиками, прекрасно подходят для производства полупроводников.
Эту керамику можно разделить на две основные категории:
-
Конструкционная керамика: Они настолько прочны и долговечны, что их можно использовать для создания механических компонентов и создания несущих конструкций.
-
Биокерамика: Они особенно широко используются в медицине, а также в производстве полупроводников из-за их химической стабильности и специальных функций.
Сравнение различных материалов
Производство полупроводников зависит от выбора материалов, которые определяют производительность, эффективность и срок службы. Сравнение усовершенствованной керамики с такими широко используемыми материалами, как металлы, полимеры и традиционная керамика, позволяет принимать обоснованные решения относительно их преимуществ и недостатков.
Металлы
В прошлом такие металлы, как алюминий или медь, широко использовались в производстве полупроводников из-за их превосходной электро- и теплопроводности. Но они сталкиваются с проблемами окисления, коррозии и теплового расширения, которые могут поставить под угрозу производительность в условиях самых высоких температур. С другой стороны, усовершенствованная керамика очень устойчива к нагреву, износу и химической деградации и поэтому может быть лучшим выбором для важнейших полупроводниковых компонентов, которые должны сохранять свою стабильность и долговечность.
Полимеры
Поскольку они легкие и относительно недорогие, полимеры обычно используются в электронной упаковке. Однако из-за их плохих термических и механических свойств они не могут использоваться в высокопроизводительных полупроводниковых приложениях. Чтобы удовлетворить эту потребность, передовая керамика обеспечивает выдающуюся термостойкость, долговечность и структурную стабильность, что делает ее крайне необходимой альтернативой полупроводниковым компонентам, обеспечивая больший жизненный цикл и лучшую надежность.
Традиционная керамика
Традиционная керамика использовалась во многих отраслях промышленности, но все еще не обладает прекрасными свойствами, необходимыми для полупроводниковых приложений. Традиционная керамика, как правило, более хрупкая и имеет менее контролируемую микроструктуру. С другой стороны, усовершенствованная керамика тщательно разработана для обеспечения лучших электрических, тепловых или механических характеристик и поэтому необходима для критических полупроводниковых сред.
Широко используемые современные керамические материалы
Здесь перечислены некоторые из наиболее широко используемых современных керамических материалов с описанием их основных свойств, подходящих для конкретных применений в полупроводниках.
Оксид алюминия (Al₂O₃)
Одной из наиболее широко используемых современных керамик в полупроводниковых приложениях является оксид алюминия. Считается, что он обладает превосходной электроизоляцией, высокой теплопроводностью и сильными механическими свойствами. Поэтому он подходит для использования в керамической броне, керамических броневых пластинах, а также в компонентах керамической брони, которые требуют превосходной износостойкости. Кроме того, его использование в подложках, изоляторах и носителях пластин гарантирует стабильность и эффективность в полупроводниковых процессах.
Карбид кремния (SiC)
Другим критически важным керамическим полупроводниковым материалом является карбид кремния из-за его высокой теплопроводности, высокой механической прочности и низкого теплового расширения. Он широко используется в оборудовании для обработки полупроводниковых пластин, теплообменниках, а также в высокочастотных электронных приложениях, требующих эффективного рассеивания тепла и стабильности материала. Помимо полупроводников, SiC очень долговечен, поэтому используется в керамических бронежилетах и керамических бронежилетах.
Цирконий (ZrO₂)
Цирконий хорошо известен своей превосходной вязкостью разрушения, а также стойкостью к тепловому удару. Его высокая прочность и поверхностная прочность к неизбежным скачкам температуры делают его хорошо подходящим для использования в инструментах для обработки полупроводников и системах обработки пластин, которые должны работать в течение длительного времени. Помимо полупроводниковых применений, цирконий широко используется в керамических бронежилетах и керамических пуленепробиваемых пластинах для защиты от экстремальных ударов.
Диборид титана (TiB₂)
Диборид титана — твердый и электропроводящий. Он часто используется в распылительных мишенях для процессов осаждения тонких пленок и обеспечивает точное нанесение материала в производстве полупроводников. Он также используется в пуленепробиваемых керамических пластинах и системах баллистической защиты благодаря своей исключительной прочности, что показывает, что он имеет широкую сферу применения в электронике и обороне.
Как правильно выбрать современную керамику
Выбор лучшей усовершенствованной керамики для полупроводниковых приложений — сложный процесс, который невозможно осуществить без учета производительности материала в различных условиях эксплуатации. Чтобы сделать лучший выбор, инженерам необходимо учитывать, как каждый керамический материал реагирует с полупроводниковой средой. Далее мы обсудим основные аспекты и то, как они влияют на производительность.
Термическая стабильность
Поскольку полупроводниковые компоненты обычно подвергаются очень сильным перепадам температур, используемые материалы должны выдерживать очень высокую температуру без потери своих характеристик. Невыбор лучших материалов приводит к деформации, растрескиванию и снижению эффективности с течением времени.
Например, карбид кремния (SiC) является хорошим выбором с высокой теплопроводностью и низким тепловым расширением. Эти двойные функции можно объединить, чтобы материал эффективно рассеивал тепло в силовой электронике и оборудовании для обработки пластин, сохраняя при этом структурную целостность при быстрых температурных сдвигах. Аналогично, оксид алюминия (Al₂O₃) обладает умеренной теплопроводностью, но является очень хорошим изолятором электричества, что делает его хорошим выбором для контроля тепла, но при этом сохраняя изоляционные свойства.
Механическая прочность
В производстве полупроводников необходимы точные операции, поскольку они должны подвергаться механическому напряжению, ударам и многократному обращению. Если керамика недостаточно прочная, она может треснуть, изнашиваться, преждевременно выходить из строя и увеличивать расходы на техническое обслуживание и время простоя.
Цирконий (ZrO₂) выделяется, когда дело касается приложений, требующих фантастической вязкости разрушения, поскольку он чрезвычайно устойчив к ударам и тепловому удару. Поэтому он подходит для инструментов обработки пластин и оборудования для производства полупроводников, подвергающихся непрерывному использованию. Кроме того, карбид кремния (SiC) твердый и хорошо изнашивается, поэтому идеально подходит для приложений с высокими нагрузками, где важна долговечность.
Электрические свойства
Существуют применения полупроводников, которые требуют либо высокой электроизоляции, либо контролируемой проводимости. Неправильный выбор материала может привести к потере мощности, перегреву или помехам в очень чувствительных электронных схемах.
Поскольку высокая диэлектрическая прочность необходима в таких применениях, как подложки и изоляторы, предпочтителен оксид алюминия (Al₂O₃). Он обеспечивает превосходное сопротивление пробоя диэлектрика, что позволяет поддерживать стабильную работу в условиях высокого напряжения. Напротив, в случаях, когда необходима электропроводность, например, в распыляемых мишенях для осаждения тонких пленок, диборид титана (TiB₂) может эффективно проводить электричество, несмотря на свою механическую стабильность.
Химическая стойкость
В полупроводниковой промышленности компоненты часто погружаются в едкие химикаты, реактивные газы, а также в среды высокой чистоты. Может произойти деградация керамики, которая структурно нестабильна из-за химической нестабильности, что приведет к структурному ослаблению или загрязнению хрупких полупроводниковых материалов.
Если вам нужен материал, устойчивый к окислению, кислотам и щелочам, карбид кремния (SiC) является одним из самых надежных материалов. Благодаря этому он незаменим для камер обработки полупроводников и химически агрессивных сред. Al₂O₃, как другой оксид, также обладает сильной химической инертностью и применим в производственных процессах высокой чистоты, требующих целостности материала.
Заключение
Там, где традиционные материалы имеют более низкую производительность, передовая керамика стала идеальным решением для оптимальной стабильности, долговечности и надежности. Например, карбид кремния обеспечивает превосходную термостойкость при обработке пластин, в то время как оксид циркония устойчив к повреждениям от ударов жесткого прецизионного инструмента. Выбор правильного материала зависит не только от технических требований, но и от того, насколько он эффективен, как он предотвращает дорогостоящие отказы и насколько долгосрочная стабильность поддерживает высокую производительность в любой рабочей среде. Поскольку полупроводниковые приложения становятся все более сложными, стратегическое использование лучшей передовой керамики станет ключевым фактором в расширении границ производительности, инноваций и формирования, а также захвате вершины электронных технологий следующего поколения.