Electrónica y Semiconductores

Materiales cerámicos avanzados como alúmina (Al₂O₃), zirconia (ZrO₂), carburo de silicio (SiC)YEl Nitruro de Silicio (Siecn4.) desempeña un papel indispensable en los campos de la electrónica y los semiconductores. Son bloques de construcción clave para lograr un alto rendimiento, miniaturización y alta confiabilidad en los dispositivos.

Tabla de resumen de comparación de aplicaciones principales

La alúmina es la cerámica electrónica más utilizada y tecnológicamente madura, sirviendo principalmente sus funciones de aislamiento, soporte y disipación de calor.

Aplicaciones:

Paquetes y sustratos de circuitos integrados (IC): Sirve como sustrato de paquete de chip, proporcionando conexiones eléctricas, protección mecánica y disipación de calor. Esta es su aplicación más tradicional y básica.
Sustratos de cobre en condiciones de servidumbre directa (DBC): la lámina de cobre se une a la cerámica de alúmina a altas temperaturas, creando un sustrato aislante y térmicamente conductor. Es ampliamente utilizado en el embalaje de dispositivos de potencia como transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) y láseres (LD).
HTCC (cerámica cocida a alta temperatura): Utilizado para fabricar los substratos de cerámica de múltiples capas de la alto-confiabilidad, es ampliamente utilizado en la electrónica aeroespacial, militar, y otros campos.
Ventanas RF/Microondas: Utilizadas en tubos de microondas y dispositivos electrónicos de vacío, permiten que las señales de microondas pasen mientras mantienen la hermeticidad.

Ventajas:

Bajo costo, proceso de fabricación maduro, aislamiento excelente, y alta fuerza mecánica.

Las aplicaciones de ZrO₂ en la electrónica aprovechan principalmente su conductividad iónica y sus excelentes propiedades mecánicas.

Aplicaciones:

Sensores de oxígeno: la zirconia estabilizada con itrio (YSZ) es un excelente conductor de iones de oxígeno utilizado en sensores de escape de automóviles y sensores de control de combustión industrial, que optimiza la eficiencia de la combustión al detectar la concentración de oxígeno.
Pilas de combustible de óxido sólido (SOFC): Como material de electrolito central en SOFC, conduce iones de oxígeno a altas temperaturas para generar electricidad.
Componentes estructurales de electrónica de consumo: Aprovechando su alta dureza (resistencia al impacto), resistencia al desgaste y apariencia estéticamente agradable, se utiliza en paneles traseros de teléfonos inteligentes, cajas de smartwatch y otras aplicaciones, proporcionando soporte estructural y blindaje electromagnético al tiempo que mejora la calidad del producto.

Ventajas:

Conductividad iónica, alta tenacidad a la fractura, resistencia al desgaste y apariencia estéticamente agradable.

El carburo de silicio desempeña un doble papel: como material semiconductor y como material cerámico especial. Sus aplicaciones de semiconductores son actualmente las más llamativos.

Aplicaciones (como semiconductor):

Dispositivos de electrónica de potencia de alta potencia: fabricación de MOSFETs SiC, diodos de barrera SiC Schottky (SBDs) y otros componentes. Estos se utilizan en sistemas de accionamiento de vehículos eléctricos, cargadores a bordo (OBC), estaciones de carga rápida de CC, inversores fotovoltaicos y accionamientos de motores industriales.
Electrónica de alta temperatura: Funcionando a temperaturas extremadamente altas (>300 ° C), se utilizan en entornos extremos como la perforación aeroespacial y de tierra.
Dispositivos RF: Utilizados en unidades de radiofrecuencia de estaciones base 5G, permiten frecuencias y potencias más altas.

Aplicaciones (como material cerámico):

Componentes del proceso de fabricación de semiconductores: utilizados en la fabricación de bandejas de obleas, paletas y reflectores. Debido a su alta dureza, resistencia a altas temperaturas y resistencia al choque térmico, pueden soportar el duro entorno de fabricación de semiconductores. Sustratos de disipación de calor de alta gama: aunque son costosos y difíciles de procesar, su conductividad térmica ultra alta los hace útiles para la disipación de calor en ciertos dispositivos especializados de densidad de alta potencia.

Ventajas (como semiconductor): el ancho de banda, la alta intensidad de campo de ruptura, la alta conductividad térmica y la alta velocidad de saturación de electrones permiten un funcionamiento de alta eficiencia, alta frecuencia y alta temperatura.

El nitruro de silicio cuenta con propiedades integrales excepcionalmente altas, particularmente su resistencia a la flexión y resistencia al choque térmico (resistencia a cambios rápidos de temperatura), que se encuentran entre las mejores de todas las cerámicas.

Aplicaciones:

Sustratos revestidos de cobre cerámico AMB: Esta es su aplicación más importante y de más rápido crecimiento. La lámina de cobre se une a cerámica de nitruro de silicio utilizando el proceso de soldadura fuerte de metal activo (AMB). Debido a su excepcional resistencia, tenacidad y resistencia al choque térmico sin precedentes, se ha convertido en el material de sustrato elegido para módulos IGBT de alta potencia en vehículos eléctricos y nuevas aplicaciones de energía. Puede soportar las tensiones térmicas de los ciclos intensos de potencia, lo que garantiza décadas de fiabilidad del módulo.
Sustratos de circuito de alto rendimiento: utilizados como portadores de chips y disipadores de calor en aplicaciones de electrónica aeroespacial y militar que requieren alta confiabilidad.
Bolas de rodamiento aisladas: utilizadas en rodamientos de alta velocidad en motores de vehículos eléctricos, proporcionan aislamiento eléctrico para evitar la corrosión eléctrica al tiempo que ofrecen una larga vida útil y una alta fiabilidad.

Ventajas:

La más alta resistencia mecánica, excelente resistencia al choque térmico, buena conductividad térmica y aislamiento robusto.

En resumen, las cerámicas avanzadas han evolucionado de simples "materiales aislantes" a "materiales habilitantes" para las industrias de la electrónica y los semiconductores. Son omnipresentes en todo, desde componentes pasivos hasta dispositivos activos, desde portadores de chips hasta herramientas de fabricación, y son una piedra angular indispensable de las industrias modernas de alta tecnología.