Источник

Поскольку отрасли промышленности повышают предел технологий, спрос на высокопроизводительные электронные компоненты растет. Полупроводниковая керамика является ценным компонентом в силовой электронике, телекоммуникациях, аэрокосмической отрасли, медицинских приборах и других областях, однако хрупкость, тепловая неэффективность и ограничения по обработке ограничивают ее потенциал.

Улучшения в этих ограничениях обусловлены передовыми керамическими материалами, которые еще больше повышают эффективность, долговечность и миниатюризацию. Цель этой статьи — пролить свет на их роль, на то, как они могут быть полезны, на проблемы, с которыми они сталкиваются, и на то, как они формируют будущее полупроводниковых технологий.

Что такое керамические полупроводники?

Источник

Керамические полупроводниковые материалы специально разработаны для электронных приложений с высокой производительностью, превосходной термической стабильностью, механической прочностью и химической стойкостью. Это потому, что эти материалы чрезвычайно стабильны в экстремальных условиях, где текущие компоненты страдают от сильного нагрева, механического напряжения или химического повреждения. Они жизненно важны для силовой электроники, датчиков и высокочастотных устройств из-за их способности выдерживать такие условия и надежности в долговечных и стабильных приложениях.

Преимущества использования современных керамических материалов

Хотя керамические полупроводниковые материалы изначально являются прочными материалами, они ограничены присущими им свойствами, которые необходимо преодолеть по мере расширения спроса на современные электронные системы. Вот где появляются передовые керамические материалы с такими преимуществами, как:

Улучшенная теплопроводность

Тепловое управление является одним из важнейших факторов производительности полупроводников. Накопление тепла выше допустимого предела может ухудшить работу внутренних компонентов электроники, и их эффективность снизится, или система может выйти из строя. Теплопроводность современных керамических материалов, таких как нитрид алюминия (AlN) и карбид кремния (SiC), настолько хороша, что тепло может рассеиваться более эффективно.

Они гарантируют стабильную работу в условиях высокой мощности. Передовая керамика также может помочь управлять теплом, а ее электроизоляция улучшена, что делает ее пригодной для высокочастотных приложений, требующих стабильности. Из электрических и структурных преимуществ некоторые из этих материалов обладают полупроводниковыми свойствами и могут быть интегрированы в устройства преобразования энергии, радиочастотные приложения и микроэлектронные схемы.

Улучшенная механическая прочность

Механическая надежность имеет высший приоритет в полупроводниковых компонентах, используемых в автомобильной, аэрокосмической и промышленной сферах. Керамические полупроводниковые материалы обычно хрупкие, склонны к трещинам и механическим отказам. Структурная целостность повышается за счет использования современных керамических материалов, таких как цирконий и оксид алюминия, что увеличивает ударопрочность и, таким образом, продлевает жизненный цикл полупроводниковых компонентов.

В последние годы была достигнута большая прочность с использованием армированной волокном керамики и композитной формулы, что позволяет деталям оставаться неповрежденными при механических ударах, вибрациях и колебаниях давления. Это достижение гарантирует, что полупроводниковые приложения по-прежнему будут высоконадежными в самых суровых условиях.

Расширенная миниатюризация

Миниатюризация является существенной движущей силой в развитии полупроводников просто из-за того, что растет спрос на более мелкие и мощные электронные устройства. Изготовление прецизионной керамики стало возможным благодаря передовым керамическим материалам, которые очень подходят для микроэлектромеханических систем (MEMS) или других компактных устройств.

Используя самые современные методы производства, такие как наноструктурированная керамика и сверхтонкие керамические слои, можно по-прежнему изготавливать миниатюрные полупроводниковые компоненты, управляемые с высокой электрической и механической прочностью. Такая возможность позволяет создавать следующее поколение компактной, высокопроизводительной электроники, не жертвуя при этом прочностью.

Оптимизированное применение и обработка керамики

Чтобы в полной мере воспользоваться преимуществами керамических полупроводниковых материалов, производители должны сосредоточиться на передовых методах обработки, которые могут улучшить их производительность. Благодаря использованию таких методов, как горячее изостатическое прессование, прецизионное шлифование и лазерная обработка, производители электронной керамики могут точно настроить свойства материала для лучшего применения.

Улучшение структурной целостности и электропроводности керамических полупроводниковых материалов может быть достигнуто за счет оптимизации спекания, легирования и интеграции композитов, поскольку стандарты применения полупроводников становятся все более жесткими.

Отличная устойчивость к суровым условиям окружающей среды

Часто материалы, используемые в качестве полупроводников, должны работать в неподходящих условиях, например, в экстремальных условиях, где обычные материалы могут деградировать или выйти из строя. Благодаря исключительной стойкости к окислению, коррозии и химическому воздействию, передовые керамические материалы стали отличным выбором в таких отраслях, как аэрокосмическая и медицинская промышленность, а также в автомобильной промышленности в областях применения полупроводников.

Кроме того, эти материалы испытываются для космических применений, которые включают вакуумные среды, интенсивное воздействие радиации и экстремальные перепады температур. Тот факт, что они могут оставаться структурно и электрически неповрежденными в таких условиях, придает им важность для передовых разработок технологий.

Распространенные недостатки в применении полупроводниковой керамики

Источник

Керамические полупроводниковые материалы предлагают важные преимущества, но при этом все еще сопровождаются препятствиями, требующими решений для максимальной производительности и масштабируемости. Это некоторые из самых основных препятствий и решений, которые формулируются для их преодоления.

Прочность материала

Керамические полупроводники, как известно, очень хрупкие, что означает, что они склонны к трещинам и механическим отказам при высоких нагрузках. Чтобы справиться с этим, производители используют армированную композитную керамику, например, циркониевый оксид алюминия (ZTA), чтобы повысить вязкость разрушения. Также для повышения прочности и долговечности материала применяются горячее изостатическое прессование (HIP) и некоторые методы аддитивного производства.

Проблемы терморегулирования

Хотя они обладают превосходными теплоизоляционными свойствами, некоторые керамические полупроводники испытывают трудности с рассеиванием тепла и страдают от неэффективности производительности в приложениях с высокой мощностью. Было замечено, что улучшение теплопередачи хорошо облегчается включением материалов с высокой теплопроводностью, таких как нитрид алюминия (AlN) или карбид кремния (SiC). Кроме того, в силовой электронике более высокая эффективность охлаждения достигается, если керамические радиаторы и материалы теплового интерфейса оптимизированы.

Сложности производства

Изготовление керамических полупроводниковых материалов — очень сложный производственный процесс, который часто может быть довольно длительным и дорогостоящим. Чтобы обеспечить широкое использование этих материалов, производители внедряют методы производства, управляемого ИИ, автоматизированную прецизионную обработку и новейший и лучший метод PPS, а именно искровое плазменное спекание (SPS). Эти инновации не только сокращают время производства, но и улучшают однородность и качество материала.

Электропроводность

Керамические полупроводниковые материалы известны как изолирующие, но некоторые приложения требуют повышенной электропроводности. К настоящему времени инженеры смогли легировать эти материалы такими элементами, как лантан и иттрий, чтобы изменить их электрические свойства. Они также улучшены гибридными решениями, такими как металлокерамический композит, которые улучшают электрические характеристики керамики, сохраняя при этом долговечность.

Ухудшение состояния окружающей среды

Керамические полупроводниковые материалы, которые должны быть произведены, требуют высоких температур и энергоемких процессов, что является проблемой для экологической устойчивости. Чтобы отреагировать, производители разрабатывают экологически чистые методы спекания с использованием возобновляемых источников энергии и инициативы по переработке для минимизации промышленных отходов. Другие способы, которые отрасль ищет для снижения воздействия на окружающую среду, — это биоразлагаемая и повторно используемая керамика.

Инновации впереди

Источник

Полупроводниковая промышленность постоянно растет, и передовые керамические материалы играют важную роль в ее будущем. Это некоторые инновации, которые, как ожидается, изменят возможности керамических полупроводниковых материалов.

• Применение нанотехнологий: Разрабатываются небольшие керамические материалы в наномасштабе, которые позволяют производить сверхмалые, сверхвысокопроизводительные полупроводники, которые не только более эффективны, но и более производительны, а также обеспечивают лучшее рассеивание тепла.

• Гибридные металлокерамические полупроводниковые материалы: Благодаря сочетанию керамики с металлическими элементами достигается гибридизация характеристик в электрическом направлении, благодаря чему эти гибридные керамико-металлические материалы становятся все более популярными и хорошо подходят для питания электроники, аккумуляторов электромобилей и возобновляемых источников энергии.

• Экологичная обработка керамики: Методы спекания экологически чистых и пригодных для вторичной переработки керамических материалов ведут к устойчивому производству полупроводников, которое не снижает производительности, но при этом снижает воздействие на окружающую среду.

Заключительные мысли

Для производителя электронной керамики, который хотел бы разработать лучшую полупроводниковую технологию, передовые керамические материалы имеют непревзойденные преимущества в термообработке, механической прочности и электрической эффективности. Причина, по которой они способствуют развитию силовой электроники, телекоммуникаций или микроэлектроники, заключается в том, что они могут повысить производительность и устойчивость. И с развитием технологий эти керамические материалы будут иметь наивысший приоритет в высокопроизводительной электронике и прецизионной инженерии.