2025 मीडिया रिपोर्टों के अनुसार, टीएसएमसी, 12{2}}इंच वेफर निर्माण में अपने वर्षों के अनुभव का लाभ उठाते हुए, पारंपरिक सिरेमिक सब्सट्रेट्स के प्रतिस्थापन को बड़े{3}आकार के सिंगल{5}}क्रिस्टल SiC के साथ बदलने को बढ़ावा दे रहा है। सिलिकॉन कार्बाइड सामग्री को एकल-क्रिस्टल SiC और पॉलीक्रिस्टलाइन SiC में विभाजित किया गया है, बाद वाला मुख्य रूप से SiC सिरेमिक को संदर्भित करता है।
पारंपरिक सिरेमिक सब्सट्रेट सामग्री में मुख्य रूप से Al₂O₃, BeO, AlN, और Si₃N₄ शामिल हैं, लेकिन प्रत्येक की अपनी कमियां हैं: Al₂O₃ सिरेमिक में कम तापीय चालकता होती है; बीईओ सिरेमिक में थर्मल विस्तार (सीटीई) का गुणांक होता है जो सी से काफी भिन्न होता है और अत्यधिक विषाक्त होता है, जिससे उनका उपयोग सीमित हो जाता है; AlN सिरेमिक महंगे हैं और इनमें ताकत कम है; Si₃N₄ सिरेमिक में अपेक्षाकृत कम तापीय चालकता होती है। SiC सिरेमिक, उनकी उच्च तापीय चालकता, उच्च शक्ति, उच्च कठोरता, उच्च तापमान प्रतिरोध, संक्षारण प्रतिरोध, Si के करीब CTE और उच्च ब्रेकडाउन फ़ील्ड ताकत के साथ, शोधकर्ताओं द्वारा सिरेमिक सब्सट्रेट्स के लिए एक आदर्श उम्मीदवार सामग्री के रूप में माना जाता है।
एकल-क्रिस्टल SiC सबस्ट्रेट्स के अनुप्रयोग
आईजीबीटी पैकेजिंग के लिए सबस्ट्रेट्स
इंसुलेटेड गेट बाइपोलर ट्रांजिस्टर (आईजीबीटी) पावर इलेक्ट्रॉनिक्स में महत्वपूर्ण उच्च शक्ति वाले उपकरण हैं, जिनका व्यापक रूप से इलेक्ट्रिक वाहनों, रेल ट्रांजिट, एयरोस्पेस, फोटोवोल्टिक बिजली उत्पादन, स्मार्ट ग्रिड और अन्य क्षेत्रों में उपयोग किया जाता है। अपने उच्च ऑपरेटिंग करंट, उच्च स्विचिंग आवृत्ति और कॉम्पैक्ट संरचना के कारण, आईजीबीटी ऑपरेशन के दौरान पर्याप्त गर्मी उत्पन्न करते हैं। यदि तुरंत नष्ट नहीं किया गया, तो यह गर्मी डिवाइस की दक्षता को कम कर सकती है, सेवा जीवन को छोटा कर सकती है, या डिवाइस की विफलता का कारण भी बन सकती है।
आईजीबीटी मॉड्यूल द्वारा उत्पन्न गर्मी मुख्य रूप से आवास तक पहुंचाई जाती है और तांबे के आवरण वाले सब्सट्रेट के माध्यम से नष्ट हो जाती है, जिससे सब्सट्रेट थर्मल प्रबंधन के लिए गर्मी अपव्यय में एक महत्वपूर्ण सामग्री बन जाती है। कॉपर क्लैड सब्सट्रेट की तापीय चालकता सीधे बिजली उपकरण के ताप अपव्यय प्रदर्शन को निर्धारित करती है।
वर्तमान में, आईजीबीटी पैकेजिंग अभी भी सिरेमिक {{0}आधारित तांबा {{1}पहने सब्सट्रेट का उपयोग करती है, लेकिन सिरेमिक सामग्री में आमतौर पर कम तापीय चालकता होती है। उदाहरण के लिए, Al₂O₃ सिरेमिक की तापीय चालकता केवल 20 W/(m·K), Si₃N₄ सिरेमिक की 80 W/(m·K), और AlN सिरेमिक की 180 W/(m·K) है। जैसे-जैसे आईजीबीटी डिवाइस की शक्ति बढ़ती जा रही है, कम तापीय चालकता वाले सिरेमिक धीरे-धीरे चिप गर्मी अपव्यय आवश्यकताओं को पूरा करने में विफल हो रहे हैं।
एक एकल {{0}क्रिस्टल SiC AMB (एक्टिव मेटल ब्रेज़िंग) कॉपर {{1}क्लैड सब्सट्रेट में शामिल हैं: एक एकल {{2}क्रिस्टल SiC सब्सट्रेट, ऊपर और नीचे दोनों सतहों पर धातु तांबे की परतें, और SiC सब्सट्रेट और तांबे की परतों के बीच एक ब्रेज़िंग फिलर परत। सिंगल{{4}क्रिस्टल SiC सब्सट्रेट उच्च{{5}प्रतिरोधकता वाले सेमी{6}इन्सुलेटिंग सिंगल{{7}क्रिस्टल SiC सामग्री से बना है।
SiC पावर मॉड्यूल पैकेजिंग के लिए सबस्ट्रेट्स
सिलिकॉन आधारित मॉड्यूल की तुलना में, SiC पावर मॉड्यूल में बहुत अधिक पावर घनत्व होता है। हालाँकि, SiC चिप्स छोटे होते हैं और उनमें ऊष्मा प्रवाह घनत्व अधिक होता है, जिससे गर्मी अपव्यय SiC पावर मॉड्यूल के लिए एक महत्वपूर्ण मुद्दा बन जाता है।
वर्तमान में, इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और विभिन्न मॉड्यूल के लिए उपयोग किए जाने वाले सब्सट्रेट्स तीन श्रेणियों में आते हैं: राल सब्सट्रेट्स, सिरेमिक सब्सट्रेट्स, और धातु आधारित सब्सट्रेट्स। रेज़िन सब्सट्रेट्स में लगभग 1 W/(m·K), खराब गर्मी लंपटता, गर्मी प्रतिरोध और विश्वसनीयता की तापीय चालकता होती है, और आमतौर पर नियंत्रण बोर्डों के लिए उपयोग किया जाता है। धातु आधारित सब्सट्रेट्स में लगभग 2-6 डब्लू/(एम·के) की तापीय चालकता होती है और मुख्य रूप से 600 वी/50 ए से नीचे रेटेड पावर मॉड्यूल के लिए उपयोग किया जाता है। सिरेमिक सब्सट्रेट्स में 20 से 170 डब्लू/(एम·के) तक की तापीय चालकता होती है और आमतौर पर उच्च - शक्ति, उच्च - वर्तमान SiC मॉड्यूल के लिए उपयोग किया जाता है।
आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले सिरेमिक सब्सट्रेट Al₂O₃ और AlN सब्सट्रेट हैं। थर्मल शॉक परीक्षणों के दौरान, सिरेमिक सब्सट्रेट और SiC चिप के बीच CTE बेमेल तांबे कंडक्टर के किनारों पर और सिरेमिक सब्सट्रेट के भीतर थर्मल तनाव उत्पन्न करता है। इस गिरावट से दरारें पड़ जाती हैं, जिससे SiC पावर मॉड्यूल की पर्यावरणीय विश्वसनीयता प्रभावित होती है और उनकी सेवा का जीवन सीमित हो जाता है।