Vuoden 2025 tiedotusvälineiden mukaan TSMC hyödyntää vuosien kokemusta 12- tuuman kiekkojen valmistuksesta ja edistää perinteisten keraamisten alustojen korvaamista suurilla-yksikristallisilla-piikarbidilla. Piikarbidimateriaalit jaetaan yksikiteiseen piikarbidiin ja monikiteiseen piikarbidiin, joista jälkimmäinen viittaa pääasiassa piikarbidikeramiikkaan.
Perinteisiä keraamisia substraattimateriaaleja ovat pääasiassa Al2O3, BeO, AlN ja Si3N4, mutta jokaisella on haittapuolensa: Al203-keraamilla on alhainen lämmönjohtavuus; BeO-keramiikassa on lämpölaajenemiskerroin (CTE), joka eroaa merkittävästi Si:stä ja on erittäin myrkyllistä, mikä rajoittaa niiden käyttöä; AlN-keramiikka on kallista ja sen lujuus on alhainen; Si3N4-keramiikassa on suhteellisen alhainen lämmönjohtavuus. Tutkijat pitävät piikarbidikeramiikkaa, jolla on korkea lämmönjohtavuus, korkea lujuus, korkea kovuus, korkea lämpötilankesto, korroosionkestävyys, Si:tä lähellä oleva CTE ja korkea läpilyöntikenttävoimakkuus, ihanteellisena ehdokasmateriaalina keraamisille alustoille.
Yksittäisten{0}}kiteisten piikarbidialustojen sovellukset
Substraatit IGBT-pakkauksille
Eristetyt kaksinapaiset transistorit (IGBT) ovat tärkeitä suuritehoisia{0}}laitteita tehoelektroniikassa, ja niitä käytetään laajalti sähköajoneuvoissa, junaliikenteessä, ilmailussa, aurinkosähköntuotannossa, älyverkoissa ja muilla aloilla. Suuren käyttövirran, suuren kytkentätaajuutensa ja kompaktin rakenteensa ansiosta IGBT:t tuottavat huomattavaa lämpöä käytön aikana. Jos lämpöä ei poisteta nopeasti, se voi heikentää laitteen tehokkuutta, lyhentää käyttöikää tai jopa aiheuttaa laitteen toimintahäiriön.
IGBT-moduulien tuottama lämpö johdetaan pääasiassa koteloon ja haihdutetaan kupari{0}}päällystetyn substraatin kautta, mikä tekee substraatista avainmateriaalin lämmönpoistossa lämmönhallinnassa. Kupari-päällystetyn alustan lämmönjohtavuus määrittää suoraan teholaitteen lämmönpoistokyvyn.
Tällä hetkellä IGBT-pakkauksissa käytetään edelleen keraamisia -pohjaisia kupari-päällysteisiä substraatteja, mutta keraamisilla materiaaleilla on yleensä alhainen lämmönjohtavuus. Esimerkiksi Al2O3-keramiikan lämmönjohtavuus on vain 20 W/(m-K), Si3N4-keramiikan 80 W/(m-K) ja AlN-keramiikan 180 W/(m-K). Kun IGBT-laitteen teho kasvaa edelleen, alhaisen lämmönjohtavuuden omaava keramiikka ei vähitellen täytä lastun lämmönpoistovaatimuksia.
Yksi-kiteinen SiC AMB (Active Metal Brazing) kupari-päällystetty substraatti koostuu: yhdestä-kristallisesta SiC-substraatista, metallikuparikerroksista sekä ylä- että alapinnalla ja juottavasta täyteainekerroksesta piikarbidialustan ja kuparikerrosten välillä. Yksi-kiteinen piikarbidi-substraatti on valmistettu korkean-resistiivisestä puoli-eristävästä yksikiteisestä-piikarbidista.
Substraatit SiC Power Module -pakkauksille
Pii{0}}pohjaisiin moduuleihin verrattuna SiC-tehomoduuleilla on paljon suurempi tehotiheys. SiC-sirut ovat kuitenkin pienempiä ja niillä on korkeampi lämpövuon tiheys, mikä tekee lämmön hajauttamisesta kriittisen ongelman piikarbiditehomoduuleille.
Tällä hetkellä elektronisissa laitteissa ja erilaisissa moduuleissa käytettävät alustat jaetaan kolmeen luokkaan: hartsisubstraatit, keraamiset alustat ja metalli{0}}pohjaiset alustat. Hartsisubstraattien lämmönjohtavuus on noin 1 W/(m·K), huono lämmönpoisto, lämmönkestävyys ja luotettavuus, ja niitä käytetään tyypillisesti ohjauskorteissa. Metalli-pohjaisten substraattien lämmönjohtavuus on noin 2–6 W/(m·K), ja niitä käytetään pääasiassa tehomoduuleissa, joiden nimellisjännite on alle 600 V/50 A. Keraamisten alustojen lämmönjohtavuus vaihtelee välillä 20–170 W/(m·K), ja niitä käytetään yleisesti korkean -tehon ja korkean virran SiC-moduuleissa.
Yleisesti käytettyjä keraamisia substraatteja ovat Al2O3- ja AlN-substraatit. Lämpösokkitestien aikana keraamisen alustan ja SiC-sirun välinen CTE-epäsopivuus synnyttää lämpöjännitystä kuparijohtimen reunoilla ja keraamisen alustan sisällä. Tämä hajoaminen johtaa halkeamiin, mikä vaikuttaa SiC-tehomoduulien ympäristön luotettavuuteen ja rajoittaa niiden käyttöikää.