Optoelectrónica y Comunicaciones

Las industrias de optoelectrónica y comunicaciones persiguen un rendimiento extremo, exigiendo extremadamente altas propiedades optoelectrónicas de los materiales, capacidades de gestión térmica, estabilidad y maquinabilidad de precisión. La alúmina (Al₂O₃), la zirconia (ZrO₂), el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de silicio (Sibrn) desempeñan un papel clave en este campo, desde el soporte fundamental hasta las funciones básicas.

En optoelectrónica y comunicaciones, las ventajas de estas cuatro cerámicas se pueden resumir de la siguiente manera:

• Excelentes propiedades eléctricas: Desde el mejor aislante (Al₂O₃) hasta los semiconductores de banda ancha (SiC), cumplen con diversos requisitos eléctricos.
• Excelente gestión térmica: la alta conductividad térmica (SiC) o el excelente aislamiento (ZrO₂) permiten una disipación de calor o un aislamiento térmico eficientes.
• Pérdida dieléctrica baja y constante dieléctrica controlable: Transparente a las señales de la microonda y de la radiofrecuencia con impacto mínimo, haciéndoles los materiales ideales para los dispositivos de comunicaciones de alta frecuencia.
• Alta dureza y estabilidad dimensional: permiten la fabricación de plataformas y sustratos ópticos extremadamente precisos y resistentes a la deformación. Igualar el coeficiente de expansión térmica con el silicio: (SiC, SicubN4.) es crucial para empaquetar de manera confiable el chip en el sustrato para evitar el agrietamiento causado por el ciclo térmico.

1. Alúmina (Al₂O₃)-"La piedra angular de la industria electrónica"
El material de sustrato cerámico electrónico más ampliamente utilizado y tecnológicamente maduro es típicamente alúmina de serie 9 (por ejemplo, 95% de Al₂O₃) o de alta pureza (99.5% de Al₂O₃).

Ventajas: Excelente aislamiento eléctrico, alta resistencia mecánica, buena conductividad térmica (en relación con otras cerámicas), bajo costo y procesos de fabricación maduros.

Aplicaciones específicas:

• Sustratos de IC/empaquetado: Utilizado en la fabricación de substratos del circuito de la grueso-película y de la fino-película y bases del paquete de la viruta (tales como montajes del LED). Su superficie se puede imprimir con precisión con resistencias, condensadores y circuitos conductores.
• Tubo láser y carcasas de dispositivos de vacío: Sirve como tubo de descarga y material de ventana para láseres de CO₂ de alta potencia, así como la carcasa para relés de vacío, proporcionando aislamiento y sellado al vacío.
• Ventanas de RF/microondas: Se utiliza en tubos de microondas, aceleradores y sistemas de radar que operan en ciertas bandas de frecuencia como una ventana sellada al vacío para ondas electromagnéticas.

2. Zirconia (ZrO₂)-"Aislamiento térmico de precisión y experto en detección"
Aprovechando su exclusivo mecanismo de endurecimiento por cambio de fase y conductividad iónica.

Ventajas: Alta tenacidad (inastillable), conductividad térmica extremadamente baja (material de aislamiento térmico de primer nivel), conductividad iónica y procesabilidad a precisión de nivel nanométrico.

Aplicaciones específicas:

• Virolas y mangas de fibra: Esta es su aplicación más precisa. Se utiliza en la fabricación de casquillos y de mangas de cerámica para los conectores de la fibra óptica (tales como SC, LC, y FC). Su alta dureza, alta tenacidad, resistencia al desgaste y coeficiente de expansión térmica extremadamente bajo aseguran una alineación precisa de las fibras ópticas (nivel micrométrico), lo que permite la transmisión de señales ópticas de baja pérdida.
• Sensores de oxígeno: Utilizando la conductividad de iones de oxígeno de la circona estabilizada con itria (YSZ) a altas temperaturas, se fabrican sensores de oxígeno para motores de automóviles y control de combustión.
• Recubrimientos de barrera térmica: aunque no son un material a granel, se aplican mediante pulverización de plasma a componentes de alta potencia en equipos de comunicaciones para proporcionar aislamiento térmico.

3. carburo de silicio (sic)-"El núcleo de la próxima generación de energía y electrónica de RF"
Un semiconductor líder de banda ancha, no solo es un material estructural sino también un material funcional, que revoluciona la electrónica tradicional basada en silicio.

Ventajas: Conductividad térmica extremadamente alta (disipando el calor que excede el cobre), propiedades de semiconductores de banda ancha (soportando alto voltaje, alta temperatura y alta frecuencia), alta dureza y bajo coeficiente de expansión térmica.

Aplicaciones específicas:

• Dispositivos electrónicos de alta potencia: fabricación de MOSFETs, diodos y otros dispositivos. Los dispositivos de SiC pueden operar a temperaturas más altas, voltajes más altos y frecuencias más altas, mientras consumen menos energía. Son el núcleo de los vehículos de nueva energía, las redes inteligentes y las unidades industriales.
• Dispositivos de RF/microondas: amplificadores de potencia de RF utilizados en estaciones base de comunicación 5G. Las obleas epitaxiales GaN-on-SiC son actualmente la solución principal en el campo de RF de alto rendimiento, que ofrece una enorme potencia de salida y eficiencia.
• Sustratos de alto rendimiento: Sirven como disipadores de calor para LED de alta potencia y diodos láser (LD), su alta conductividad térmica les permite disipar rápidamente el calor generado por los chips, lo que garantiza el rendimiento y la vida útil del dispositivo.
• Espejos ópticos: espacios en blanco de espejo grandes y livianos utilizados en telescopios espaciales y sistemas de comunicación láser por satélite, debido a su alta rigidez, bajo peso y excelente estabilidad térmica.

4. Nitruro de silicio (Siecn4.)-"Un soporte clave para chips de comunicación óptica de alta velocidad"
Esta cerámica estructural cuenta con un excelente rendimiento integral y tiene una aplicación insustituible y de vanguardia en comunicaciones ópticas.

Ventajas: Alta conductividad térmica, coeficiente de expansión térmica extremadamente bajo (perfectamente adaptado al silicio), alta resistencia a la fractura y excelente aislamiento eléctrico.

Aplicaciones específicas:

• Substratos del módulo de comunicación óptica: esta es su aplicación de mayor valor. Sirve como sustrato de circuito para módulos de transceptor óptico de alta velocidad (como 400G y 800G). Su coeficiente de expansión térmica es muy cercano al de los chips de silicio, evitando una tensión significativa por agrietamiento de las juntas de soldadura durante las fluctuaciones de temperatura, mejorando significativamente la confiabilidad a largo plazo del módulo. Además, su conductividad térmica es mejor que la de la alúmina, facilitando la disipación de calor.
• Sustratos cerámicos: Se utilizan como sustratos de embalaje para módulos de potencia y circuitos integrados, particularmente en los sectores aeroespacial y de electrónica de automoción, donde la alta fiabilidad es crucial.
• Sustratos de circuito de película delgada: se utilizan para circuitos de microondas, que requieren una mayor estabilidad dimensional y disipación de calor.