Viime vuosina sähköajoneuvot, sähköveturit, puolijohdevalaistus, ilmailu, satelliittiviestintä ja muut alat ovat siirtyneet nopean kehityksen vaiheeseen. Näillä aloilla käytetyt elektroniset laitteet toimivat korkean virran, korkean lämpötilan ja korkean taajuuden olosuhteissa. Laitteen ja piirin toiminnan vakauden varmistamiseksi sirukannattimille asetetaan korkeammat vaatimukset. Keraamiset alustat tarjoavat erinomaisen lämpösuorituskyvyn, mikroaaltoominaisuudet, mekaaniset ominaisuudet ja korkean luotettavuuden, joten niitä voidaan käyttää laajasti näillä alueilla.
Keraamiseen substraattimateriaaliin perustuen päätyyppejä ovat tällä hetkellä alumiinioksidikeraamiset substraatit, alumiininitridikeraamiset substraatit, piinitridikeraamiset substraatit, piikarbidikeraamiset substraatit, berylliumoksidikeraamiset substraatit ja boorinitridikeraamiset substraatit.
1. Alumiinioksidi
Alumiinioksidikeramiikalla on korkea kovuus, ja Rockwell-kovuus on HRA 80–90, toiseksi vain timantti. Niiden kulutuskestävyys on 266-kertainen mangaaniteräkseen verrattuna ja 171,5-kertainen korkea-kromivaluraudan kulutuskestävyyteen verrattuna, mikä pidentää laitteiden käyttöikää vähintään kymmenen kertaa samoissa käyttöolosuhteissa. Lisäksi alumiinioksidikeraamiset substraatit tarjoavat korkean lämmönjohtavuuden, hyvän ominaisvastuksen ja lämmönkestävyyden sekä alhaisen dielektrisyysvakion. Tämän seurauksena niistä on tullut ensisijainen materiaali seuraavan -sukupolven mikroelektronisissa laitteissa ja järjestelmissä, ja niitä käytetään laajalti ilmailussa, 5G-viestinnässä, suuritehoisissa puolijohteissa,{11}}tehokkaissa LED-valaistuksessa ja muilla aloilla.
2. Alumiininitridi
Alumiininitridikeramiikka on viime vuosina tullut erittäin suosittu materiaali elektroniikkateollisuudessa korkean lämmönjohtavuuden (lähellä piikarbidin ja berylliumoksidin ja 5–10 kertaa alumiinioksidin), alhaisen dielektrisyysvakion ja dielektrisyyshäviön, hyvien sähköeristysominaisuuksien sekä arseniinia ja gallium-silokonidia vastaavan lämpölaajenemiskertoimen ansiosta. Berylliumoksidikeramiikkaan verrattuna alumiininitridikeramiikka on myrkytöntä ja sen tuotantokustannukset ovat alhaisemmat. Siksi alumiininitridikeramiikka on tällä hetkellä ihanteellisia korkean suorituskyvyn keraamisia substraatteja ja pakkausmateriaaleja, joilla on vahva suuntaus korvata vähitellen myrkyllistä berylliumoksidikeraamia ja heikkolaatuista alumiinioksidikeraamia. Alumiininitridikeramiikan teoreettinen lämmönjohtavuus voi olla 320 W/m·K. Erittäin puhdas alumiininitridi on väritöntä ja läpinäkyvää, mutta sen ominaisuuksiin vaikuttaa helposti kemiallinen puhtaus ja tiheys. Hilavirheet, kuten epäpuhtaudet, voivat aiheuttaa fononien sirontaa ja heikentää merkittävästi lämmönjohtavuutta.
3. Piinitridi
Piinitridillä on edistyksellisenä keraamisena materiaalina erinomaiset mekaaniset ominaisuudet korkeissa lämpötiloissa, kemiallinen stabiilisuus, lämmönjohtavuus ja sähköeristys, mikä tekee siitä erittäin lupaavan elektronisen substraattimateriaalin. Piinitridikeraamiset alustat osoittavat erinomaisia korkean lämpötilan mekaanisia ominaisuuksia, mukaan lukien korkea virumiskestävyys, hapettumisenkestävyys ja kulutuskestävyys. Tämä tekee niistä sopivia äärimmäisiin ympäristöihin, kuten ilmailu-, energia- ja petrokemianteollisuuteen. Elektroniikassa ja lämmönhallinnassa piinitridikeraamiset substraatit tarjoavat erinomaisen sähköeristyksen ja korkean lämmönjohtavuuden, mikä täyttää suuritehoisten ja korkeataajuisten laitteiden lämmönpoisto- ja pakkausvaatimukset. Niitä käytetään laajalti tehopuolijohdemoduuleissa, suurtaajuisissa piirisubstraateissa, korkean lämpötilan elektronisissa järjestelmissä ja muissa tärkeissä skenaarioissa.
4. Boorinitridi
Boorinitridikeramiikalla on monia erinomaisia ominaisuuksia. Boorinitridillä on erittäin korkea lämmönjohtavuus, ja teoreettinen arvo kuusikulmaisille boorinitridin nanolevyille on jopa 1700–2000 W/(m·K). Sillä on myös hyvä korkeiden lämpötilojen stabiilius ja hapettumisenkestävyys. Boorinitridi sublimoituu 3000 asteessa, sitä voidaan käyttää 900 asteeseen asti hapettavassa ilmakehässä, 2000 asteeseen asti tyhjiössä ja 2800 asteeseen asti inertissä ilmakehässä. Puolijohdepakkauksissa boorinitridikeraamisubstraattien lämmönjohtavuus on kolme kertaa suurempi kuin perinteisillä alumiinioksidisubstraateilla, mikä parantaa tehokkaasti sirun lämmönpoistotehokkuutta.
5. Piikarbidi
Piikarbidimateriaalit jaetaan pääasiassa yksikiteisiin ja keraamisiin tyyppeihin. Single-crystal SiC on kolmannen sukupolven laajakaistainen puolijohdemateriaali, jolla on laaja kaistaväli, korkea läpilyöntikentän voimakkuus, alhainen onresistanssi, korkea kyllästettyjen elektronien liikkuvuus, korkea lämmönjohtavuus ja erinomainen säteilynkestävyys. Nämä ominaisuudet tekevät siitä erittäin sopivan elektronisiin laitteisiin, jotka toimivat ankarissa ympäristöissä, kuten korkeassa lämpötilassa tai korkeassa jännitteessä. Monikiteisellä piikarbidilla (eli piikarbidikeramiikalla) on hyvä kemiallinen stabiilisuus, korkeiden lämpötilojen kestävyys, kulutuskestävyys ja korroosionkestävyys, ja sillä voi olla erilaisia ominaisuuksia käytetyistä muovaus- ja sintrausprosesseista riippuen.
6. Berylliumoksidi
Berylliumoksidikeraamisilla alustoilla on korkea lämmönjohtavuus, korkea sulamispiste, korkea lujuus, korkea eristys, korkea kemiallinen ja lämpöstabiilisuus, alhainen dielektrisyysvakio, pieni dielektrinen häviö ja hyvä prosessin sopeutuvuus. Ne sopivat erityisesti suuritehoisille elektronisille laitteille, joilla on erittäin vaativat lämmönpoistovaatimukset. BeO on kuitenkin myrkyllinen materiaali. Valmistuksen ja käytön aikana syntyvä pöly aiheuttaa vakavia riskejä ihmisten terveydelle ja ympäristölle.