A 2025-ös médiában megjelent jelentések szerint a TSMC a 12-hüvelykes ostyagyártásban szerzett több éves tapasztalatát kihasználva támogatja a hagyományos kerámia hordozók nagy-méretű egykristályos-SiC-re való felváltását. A szilícium-karbid anyagokat egykristályos SiC-ra és polikristályos SiC-ra osztják, ez utóbbi elsősorban a SiC kerámiákra vonatkozik.
A hagyományos kerámia szubsztrátum anyagok főként Al2O3, BeO, AlN és Si3N4, de mindegyiknek megvannak a maga hátrányai: az Al2O3 kerámiák alacsony hővezető képességgel rendelkeznek; A BeO kerámiák hőtágulási együtthatója (CTE) jelentősen eltér a Si-től, és erősen mérgező, ami korlátozza felhasználásukat; Az AlN kerámiák költségesek és alacsony szilárdságúak; A Si3N4 kerámiák viszonylag alacsony hővezető képességgel rendelkeznek. A SiC kerámiákat magas hővezető képességükkel, nagy szilárdságukkal, nagy keménységükkel, magas hőmérséklet-állóságukkal, korrózióállóságukkal, a Siéhoz közeli CTE-vel és nagy áttörési térerősségükkel a kutatók a kerámia szubsztrátumok ideális anyagának tartják.
Az egy{0}}kristályos SiC szubsztrátok alkalmazásai
Szubsztrátumok IGBT csomagoláshoz
Az Insulated Gate Bipoláris tranzisztorok (IGBT) fontos nagy teljesítményű{0}}eszközök a teljesítményelektronikában, széles körben használják az elektromos járművekben, a vasúti közlekedésben, az űrhajózásban, a fotovoltaikus energiatermelésben, az intelligens hálózatokban és más területeken. Magas üzemi áramuk, nagy kapcsolási frekvenciájuk és kompakt felépítésük miatt az IGBT-k jelentős hőt termelnek működés közben. Ha nem oszlik el azonnal, ez a hő csökkentheti a készülék hatékonyságát, lerövidítheti az élettartamot, vagy akár az eszköz meghibásodását is okozhatja.
Az IGBT-modulok által termelt hő főként a házba kerül, és a réz-bevonatú hordozón keresztül disszipálódik, így a szubsztrátum a hőkezelés szempontjából kulcsfontosságú anyag a hőelvezetésben. A réz-bevonatú hordozó hővezető képessége közvetlenül meghatározza a tápegység hőelvezetési teljesítményét.
Az IGBT-csomagolás jelenleg is kerámia{0}}alapú réz-bevonatú hordozót használ, de a kerámia anyagok általában alacsony hővezető képességgel rendelkeznek. Például az Al2O3 kerámiák hővezető képessége csak 20 W/(m·K), a Si3N4 kerámiáé 80 W/(m·K), az AlN kerámiáé pedig 180 W/(m·K). Ahogy az IGBT eszköz teljesítménye folyamatosan növekszik, az alacsony hővezetőképességű kerámiák fokozatosan nem teljesítik a forgács hőelvezetésére vonatkozó követelményeket.
Az egyetlen-kristályos SiC AMB (Active Metal Brazing) réz-bevonatú hordozó a következőkből áll: egyetlen-kristály SiC szubsztrátum, fém rézrétegek a felső és alsó felületeken, valamint egy keményforrasztó töltőréteg a SiC szubsztrát és a rézrétegek között. Az egy-kristályos SiC szubsztrát nagy-ellenállású, félig-szigetelő, egy-kristályos SiC anyagból készül.
Szubsztrátumok SiC teljesítménymodulok csomagolásához
A szilícium{0}}alapú modulokhoz képest a SiC tápmodulok sokkal nagyobb teljesítménysűrűséggel rendelkeznek. A SiC chipek azonban kisebbek és nagyobb hőáram-sűrűséggel rendelkeznek, így a hőelvezetés kritikus probléma a SiC teljesítménymodulok számára.
Jelenleg az elektronikus eszközökhöz és különféle modulokhoz használt hordozók három kategóriába sorolhatók: gyanta hordozók, kerámia hordozók és fém{0}}alapú hordozók. A műgyanta hordozók hővezető képessége körülbelül 1 W/(m·K), gyenge hőelvezetéssel, hőállósággal és megbízhatósággal rendelkeznek, és jellemzően vezérlőkártyákhoz használják. A fém-alapú hordozók hővezető képessége körülbelül 2–6 W/(m·K), és főként 600 V/50 A alatti teljesítménymodulokhoz használják őket. A kerámia hordozók hővezető képessége 20–170 W/(m·K), és általában nagy -teljesítményű, nagyáramú SiC-modulokhoz használják őket.
A leggyakrabban használt kerámia hordozók az Al2O3 és az AlN hordozók. A hősokk-tesztek során a kerámia hordozó és a SiC chip közötti CTE eltérés hőfeszültséget generál a rézvezető szélein és a kerámia hordozón belül. Ez a leromlás repedésekhez vezet, ami befolyásolja a SiC tápmodulok környezeti megbízhatóságát, és korlátozza élettartamukat.