OAVning 2025 yilgi xabarlariga ko'ra, TSMC 12-dyuymli gofret ishlab chiqarish bo'yicha o'zining ko'p yillik tajribasidan foydalanib, an'anaviy keramika tagliklarini katta-o'lchamdagi bir-kristalli SiC bilan almashtirishni targ'ib qilmoqda. Silikon karbid materiallari bir kristalli SiC va polikristalli SiC ga bo'linadi, ikkinchisi asosan SiC keramikasini nazarda tutadi.
An'anaviy keramik substrat materiallariga asosan Al₂O₃, BeO, AlN va Si₃N₄ kiradi, lekin har birining kamchiliklari bor: Al₂O₃ keramika past issiqlik o'tkazuvchanligiga ega; BeO keramika Si dan sezilarli darajada farq qiluvchi va juda zaharli bo'lgan issiqlik kengayish koeffitsientiga (CTE) ega, ulardan foydalanishni cheklaydi; AlN keramikasi qimmat va past kuchga ega; Si₃N₄ keramika nisbatan past issiqlik o'tkazuvchanligiga ega. SiC keramikasi yuqori issiqlik o'tkazuvchanligi, yuqori quvvati, yuqori qattiqligi, yuqori haroratga chidamliligi, korroziyaga chidamliligi, Si ga yaqin CTE va yuqori parchalanish maydoni kuchi bilan tadqiqotchilar tomonidan keramik substratlar uchun ideal nomzod material sifatida qabul qilinadi.
Single-Crystal SiC Substratlardan foydalanish
IGBT qadoqlash uchun substratlar
Izolyatsiya qilingan eshikli bipolyar tranzistorlar (IGBT) elektr transportida, temir yo'l transportida, aerokosmikda, fotovoltaik energiya ishlab chiqarishda, aqlli tarmoqlarda va boshqa sohalarda keng qo'llaniladigan elektr elektronikasidagi muhim yuqori quvvatli qurilmalardir. Yuqori ish oqimi, yuqori kommutatsiya chastotasi va ixcham tuzilishi tufayli IGBTlar ish paytida katta issiqlik hosil qiladi. Agar bu issiqlik tezda tarqalmasa, qurilma samaradorligini pasaytirishi, xizmat muddatini qisqartirishi yoki hatto qurilmaning ishdan chiqishiga olib kelishi mumkin.
IGBT modullari tomonidan ishlab chiqarilgan issiqlik asosan korpusga o'tkaziladi va mis{0}}qoplangan substrat orqali tarqaladi, bu esa substratni issiqlikni boshqarish uchun issiqlik tarqalishida asosiy materialga aylantiradi. Mis{2}}qoplangan substratning issiqlik o'tkazuvchanligi to'g'ridan-to'g'ri quvvat qurilmasining issiqlik tarqalishini aniqlaydi.
Hozirda IGBT qadoqlashda hali ham keramik{0}}asosli mis-qoplangan substratlardan foydalaniladi, ammo keramik materiallar odatda past issiqlik o‘tkazuvchanligiga ega. Masalan, Al₂O₃ keramikaning issiqlik o'tkazuvchanligi atigi 20 Vt/(m·K), Si₃N₄ keramikaniki 80 Vt/(m·K), AlN keramikasiniki esa 180 Vt/(m·K) ni tashkil qiladi. IGBT qurilmasining quvvati o'sishda davom etar ekan, past issiqlik o'tkazuvchanligi bo'lgan keramika asta-sekin chipning issiqlik tarqalishi talablariga javob bermaydi.
Yagona kristall SiC AMB (Active Metal Brazing)-qoplangan substrat quyidagilardan iborat: bitta kristalli SiC substrat, yuqori va pastki yuzadagi metall mis qatlamlari va SiC substrat va mis qatlamlari orasidagi lehimli plomba qatlami. Yagona kristalli SiC substrat-yuqori qarshilikka ega yarim{6}}izolyatsion-bir kristalli SiC materialidan qilingan.
SiC quvvat modulini qadoqlash uchun substratlar
Silikon{0}}asosidagi modullar bilan solishtirganda, SiC quvvat modullari ancha yuqori quvvat zichligiga ega. Biroq, SiC chiplari kichikroq va yuqori issiqlik oqimi zichligiga ega, bu esa SiC quvvat modullari uchun issiqlik tarqalishini muhim muammoga aylantiradi.
Hozirgi vaqtda elektron qurilmalar va turli modullar uchun ishlatiladigan substratlar uchta toifaga bo'linadi: qatronli substratlar, keramik tagliklar va metall{0}}asosli substratlar. Qatronlar tagliklari taxminan 1 Vt / (m · K) issiqlik o'tkazuvchanligi, yomon issiqlik tarqalishi, issiqlikka chidamliligi va ishonchliligiga ega va odatda boshqaruv platalari uchun ishlatiladi. Metall{4}}asosli tagliklar taxminan 2–6 Vt/(m·K) issiqlik o'tkazuvchanligiga ega va asosan 600 V/50 A dan past bo'lgan quvvat modullari uchun ishlatiladi. Keramika tagliklari 20 dan 170 Vt/(m·K) gacha bo'lgan issiqlik o'tkazuvchanligiga ega va odatda yuqori{{12}{1}}quvvat, yuqori Sicur{1}} modullar uchun ishlatiladi.
Odatda ishlatiladigan keramik substratlar Al₂O₃ va AlN substratlaridir. Termal zarba sinovlari paytida keramik taglik va SiC chipi o'rtasidagi CTE nomuvofiqligi mis o'tkazgichning chekkalarida va keramik taglik ichida termal stress hosil qiladi. Ushbu buzilish yoriqlarga olib keladi, SiC quvvat modullarining ekologik ishonchliligiga ta'sir qiladi va ularning ishlash muddatini cheklaydi.