Remiantis 2025 m. žiniasklaidos pranešimais, TSMC, pasinaudodama savo ilgamete 12-colių plokštelių gamybos patirtimi, skatina tradicinių keraminių substratų pakeitimą didelio-dydžio-kristaliniu SiC. Silicio karbido medžiagos skirstomos į vienkristalinį SiC ir polikristalinį SiC, pastarasis daugiausia susijęs su SiC keramika.
Tradicinės keraminės pagrindo medžiagos daugiausia apima Al2O3, BeO, AlN ir Si3N4, tačiau kiekviena turi savo trūkumų: Al2O3 keramika turi mažą šilumos laidumą; BeO keramikos šiluminio plėtimosi koeficientas (CTE), kuris labai skiriasi nuo Si ir yra labai toksiškas, riboja jų naudojimą; AlN keramika yra brangi ir turi mažą stiprumą; Si₃N4 keramika turi santykinai mažą šilumos laidumą. SiC keramika, pasižyminti dideliu šilumos laidumu, dideliu stiprumu, dideliu kietumu, atsparumu aukštai temperatūrai, atsparumu korozijai, CTE, artima Si, ir dideliu skilimo lauko stiprumu, mokslininkų yra laikoma idealia medžiaga kandidate keraminiams pagrindams.
Vieno{0}}kristalinio SiC substrato taikymas
IGBT pakuotės substratai
Izoliuotų vartų dvipoliai tranzistoriai (IGBT) yra svarbūs didelės galios{0}}galios elektronikos įrenginiai, plačiai naudojami elektrinėse transporto priemonėse, geležinkelių transporte, erdvėlaiviuose, fotovoltinės energijos gamyboje, išmaniuosiuose tinkluose ir kitose srityse. Dėl didelės darbinės srovės, didelio perjungimo dažnio ir kompaktiškos struktūros IGBT veikimo metu išskiria daug šilumos. Jei ši šiluma nebus greitai išsklaidoma, ji gali sumažinti įrenginio efektyvumą, sutrumpinti tarnavimo laiką ar net sukelti įrenginio gedimą.
IGBT modulių generuojama šiluma daugiausia patenka į korpusą ir išsklaidoma per variu{0}}dengtą pagrindą, todėl substratas yra pagrindinė šilumos išsklaidymo medžiaga šilumos valdymui. Variu -dengto pagrindo šilumos laidumas tiesiogiai lemia maitinimo įrenginio šilumos išsklaidymo efektyvumą.
Šiuo metu IGBT pakuotėse vis dar naudojami keraminiai{0}}vario{1}}pagrindo pagrindai, tačiau keraminės medžiagos paprastai turi mažą šilumos laidumą. Pavyzdžiui, Al2O3 keramikos šilumos laidumas yra tik 20 W/(m·K), Si3N4 keramikos – 80 W/(m·K), o AlN keramikos – 180 W/(m·K). Kadangi IGBT įrenginio galia ir toliau didėja, mažo šilumos laidumo keramika palaipsniui neatitinka lustų šilumos išsklaidymo reikalavimų.
Vieno -kristalinio SiC AMB (aktyvaus metalo litavimo) variu- padengtą substratą sudaro: vienas-kristalinis SiC substratas, metaliniai vario sluoksniai viršutiniame ir apatiniame paviršiuose ir litavimo užpildo sluoksnis tarp SiC pagrindo ir vario sluoksnių. Vieno-kristalinio SiC substratas pagamintas iš didelės-varžinės pusiau-izoliacinės vieno-kristalinio SiC medžiagos.
SiC maitinimo modulio pakuotės substratai
Palyginti su silicio{0}}pagrįstais moduliais, SiC maitinimo modulių galios tankis yra daug didesnis. Tačiau SiC lustai yra mažesni ir turi didesnį šilumos srauto tankį, todėl šilumos išsklaidymas yra svarbi SiC galios modulių problema.
Šiuo metu elektroniniams įrenginiams ir įvairiems moduliams naudojami substratai skirstomi į tris kategorijas: dervos pagrindus, keraminius pagrindus ir metalo{0}}pagrindus. Dervos pagrindo šilumos laidumo koeficientas yra apie 1 W/(m·K), prastas šilumos išsklaidymo, atsparumo karščiui ir patikimumo rodiklis, todėl jie paprastai naudojami valdymo plokštėms. Metalo-pagrindų šilumos laidumo koeficientas yra apie 2–6 W/(m·K) ir jie daugiausia naudojami maitinimo moduliams, kurių vardinė įtampa mažesnė nei 600 V/50 A. Keraminių padėklų šilumos laidumas svyruoja nuo 20 iki 170 W/(m·K) ir dažniausiai naudojami didelės-galios, didelės{{13} srovės SiC moduliams.
Dažniausiai naudojami keraminiai substratai yra Al2O3 ir AlN substratai. Atliekant terminio smūgio bandymus, CTE neatitikimas tarp keraminio pagrindo ir SiC lusto sukuria šiluminį įtampą vario laidininko kraštuose ir keraminio pagrindo viduje. Dėl šio gedimo atsiranda įtrūkimų, kurie turi įtakos SiC maitinimo modulių patikimumui aplinkai ir riboja jų tarnavimo laiką.