În ultimii ani, vehiculele electrice, locomotivele electrice, iluminatul cu semiconductori, aerospațiale, comunicațiile prin satelit și alte domenii au intrat într-o fază de dezvoltare rapidă. Dispozitivele electronice utilizate în aceste domenii funcționează în condiții de curent ridicat, temperatură ridicată și frecvență înaltă. Pentru a asigura stabilitatea funcționării dispozitivului și a circuitului, sunt impuse cerințe mai mari pentru purtătorii de cipuri. Substraturile ceramice oferă performanțe termice excelente, proprietăți la microunde, proprietăți mecanice și fiabilitate ridicată, făcându-le aplicabile pe scară largă în aceste zone.
Pe baza materialului substratului ceramic, principalele tipuri includ în prezent substraturi ceramice cu alumină, substraturi ceramice cu nitrură de aluminiu, substraturi ceramice cu nitrură de siliciu, substraturi ceramice cu carbură de siliciu, substraturi ceramice cu oxid de beriliu și substraturi ceramice cu nitrură de bor.
1. Alumină
Ceramica cu alumină are o duritate ridicată, cu o duritate Rockwell de HRA 80–90, a doua numai după diamant. Rezistența lor la uzură este de 266 de ori mai mare decât a oțelului cu mangan și de 171,5 ori mai mare decât a fontei cu-crom ridicat, prelungind durata de viață a echipamentului de cel puțin zece ori în aceleași condiții de funcționare. În plus, substraturile ceramice din alumină oferă conductivitate termică ridicată, rezistivitate și stabilitate termică bună și o constantă dielectrică scăzută. Drept urmare, acestea au devenit materialul preferat pentru dispozitivele și sistemele microelectronice de-generația următoare și sunt utilizate pe scară largă în industria aerospațială, comunicații 5G, semiconductori de-putere mare, iluminare cu LED-de mare putere și alte domenii.
2. Nitrură de aluminiu
Ceramica cu nitrură de aluminiu a devenit un material foarte popular în industria electronică în ultimii ani, datorită conductivității termice ridicate (aproape de cea a carburii de siliciu și a oxidului de beriliu și de 5-10 ori mai mare decât a aluminei), a constantei dielectrice scăzute și a pierderii dielectrice, a proprietăților bune de izolare electrică și a unui coeficient de dilatare termică care se potrivește cu arseniul și galiu. În comparație cu ceramica cu oxid de beriliu, ceramica cu nitrură de aluminiu nu este toxică și are costuri de producție mai mici. Prin urmare, ceramica cu nitrură de aluminiu este în prezent substraturi ceramice de înaltă performanță și materiale de ambalare ideale, cu o tendință puternică de a înlocui treptat ceramica cu oxid de beriliu toxic și ceramica de alumină cu performanță scăzută. Conductivitatea termică teoretică a ceramicii cu nitrură de aluminiu poate ajunge la 320 W/m·K. Nitrura de aluminiu de înaltă puritate este incoloră și transparentă, dar proprietățile sale sunt ușor afectate de puritatea și densitatea chimică. Defectele rețelei, cum ar fi impuritățile, pot provoca împrăștierea fononilor și pot reduce semnificativ conductivitatea termică.
3. Nitrură de siliciu
Nitrura de siliciu, ca material ceramic avansat, prezintă proprietăți mecanice excelente la temperatură înaltă, stabilitate chimică, conductivitate termică și izolație electrică, făcându-l un material substrat electronic foarte promițător. Substraturile ceramice cu nitrură de siliciu demonstrează proprietăți mecanice remarcabile la temperatură înaltă, inclusiv rezistență ridicată la fluaj, rezistență la oxidare și rezistență la uzură. Acest lucru le face potrivite pentru medii extreme, cum ar fi industria aerospațială, energetică și petrochimică. În electronică și managementul termic, substraturile ceramice cu nitrură de siliciu oferă o izolație electrică excelentă și o conductivitate termică ridicată, îndeplinind cerințele de disipare a căldurii și de ambalare ale dispozitivelor de înaltă putere și de înaltă frecvență. Ele sunt utilizate pe scară largă în modulele semiconductoare de putere, substraturile de circuite de înaltă frecvență, sistemele electronice de înaltă temperatură și alte scenarii importante.
4. Nitrură de bor
Ceramica cu nitrură de bor are multe proprietăți excelente. Nitrura de bor are o conductivitate termică ultra-înaltă, cu o valoare teoretică pentru nanofile hexagonale de nitrură de bor de până la 1700–2000 W/(m·K). De asemenea, prezintă o bună stabilitate la temperatură ridicată și rezistență la oxidare. Nitrura de bor se sublimează la 3000 de grade, poate fi folosită până la 900 de grade într-o atmosferă oxidantă, până la 2000 de grade în vid și până la 2800 de grade într-o atmosferă inertă. În ambalajele semiconductoare, substraturile ceramice cu nitrură de bor au o conductivitate termică de trei ori mai mare decât a substraturilor tradiționale de alumină, îmbunătățind eficient eficiența disipării căldurii cipului.
5. Carbură de siliciu
Materialele SiC sunt împărțite în principal în tipuri monocristaline și ceramice. SiC monocristal este un material semiconductor cu bandă interzisă largă de a treia generație, cu bandă interzisă mare, intensitate mare a câmpului de defalcare, rezistență scăzută la pornire, mobilitate ridicată a electronilor saturati, conductivitate termică ridicată și rezistență excelentă la radiații. Aceste proprietăți îl fac extrem de potrivit pentru dispozitivele electronice care funcționează în medii dure, cum ar fi temperaturi ridicate sau tensiune înaltă. SiC policristalin (adică, ceramica SiC) are stabilitate chimică bună, rezistență la temperaturi ridicate, rezistență la uzură și rezistență la coroziune și poate prezenta caracteristici diferite în funcție de procesele de formare și sinterizare utilizate.
6. Oxid de beriliu
Substraturile ceramice cu oxid de beriliu prezintă conductivitate termică ridicată, punct de topire ridicat, rezistență ridicată, izolație ridicată, stabilitate chimică și termică ridicată, constantă dielectrică scăzută, pierderi dielectrice scăzute și adaptabilitate bună la proces. Sunt potrivite în special pentru dispozitivele electronice de mare putere cu cerințe extrem de solicitante de disipare a căldurii. Cu toate acestea, BeO este un material toxic. Praful generat în timpul producției și utilizării prezintă riscuri grave pentru sănătatea umană și pentru mediu.