Оптоэлектроника и связь

Оптоэлектроника и отрасли связи преследуют экстремальные характеристики, предъявляя чрезвычайно высокие требования к оптоэлектронным свойствам материалов, возможностям управления температурой, стабильности и точности обработки. Глинозем (Al₂O₃), цирконий (ZrO₂), карбид кремния (SiC) и нитрид кремния (Si₃N₄) играют ключевую роль в этой области, от базовой поддержки до основных функций.

В оптоэлектронике и коммуникациях преимущества этих четырех керамик можно суммировать следующим образом:

• Отличные электрические свойства: от лучшего изолятора (Al₂O₃) до полупроводников с широкой запрещенной зоны (SiC) они отвечают различным электрическим требованиям.
• Отличное управление температурой: высокая теплопроводность (SiC) или отличная изоляция (ZrO₂) обеспечивают эффективное рассеивание тепла или тепловую изоляцию.
• Низкие диэлектрические потери и управляемая диэлектрическая проницаемость: прозрачны для микроволновых и радиочастотных сигналов с минимальным воздействием, что делает их идеальными материалами для высокочастотных устройств связи.
• Высокая твердость и стабильность размеров: они позволяют производить чрезвычайно точные, устойчивые к деформации оптические платформы и подложки. Соответствие коэффициента теплового расширения кремнию: (SiC, Si₃N4) имеет решающее значение для надежной упаковки чипа на подложке для предотвращения растрескивания, вызванного термоциклированием.

1. Глинозем (Al₂O₃)-«В основе электронной промышленности»
Наиболее широко используемым и технологически зрелым материалом электронной керамической подложки, как правило, является 9-серия (например, 95% Al2O₃) или высокочистый (99,5% Al2O₃) глинозем.

Преимущества: отличная электроизоляция, высокая механическая прочность, хорошая теплопроводность (по сравнению с другой керамикой), низкая стоимость и зрелые производственные процессы.

Специфические применения:

• Подложки/упаковка IC: используются при производстве толстопленочных и тонкопленочных подложек схем и оснований корпусов микросхем (таких как крепления светодиодов). Его поверхность может быть точно напечатана с помощью резисторов, конденсаторов и проводящих цепей.
• Корпус лазерной трубки и вакуумного устройства: он служит в качестве разрядной трубки и оконного материала для мощных CO₂ лазеров, а также в качестве корпуса для вакуумных реле, обеспечивая изоляцию и вакуумную герметизацию.
• Радиочастотные/микроволновые окна: он используется в микроволновых трубках, ускорителях и радиолокационных системах, работающих в определенных частотных диапазонах в качестве вакуумного герметичного окна для электромагнитных волн.

2. Цирконий (ZrO₂)-«Эксперт по прецизионной теплоизоляции и зондированию»
Использование уникального механизма закалки с фазовым переходом и ионной проводимости.

Преимущества: Высокая прочность (небьющаяся), чрезвычайно низкая теплопроводность (теплоизоляционный материал высшего уровня), ионная проводимость и технологичность с точностью до нанометрового уровня.

Специфические применения:

• Волоконные наконечники и рукава: это его наиболее точное применение. Он использован в изготовлении керамических феррулес и рукавов для соединителей оптического волокна (как СК, ЛК, и ФК). Его высокая твердость, высокая прочность, износостойкость и чрезвычайно низкий коэффициент теплового расширения обеспечивают точное выравнивание оптических волокон (уровень микрометра), обеспечивая передачу оптического сигнала с низкими потерями.
• Датчики кислорода: Использующ проводимость иона кислорода иттрия-стабилизированного зирконя (YSZ) на высоких температурах, изготовлены датчики кислорода для автомобильных двигателей и регулирования сгорания.
• Тепловые барьерные покрытия: хотя они и не являются сыпучим материалом, они наносятся с помощью плазменного напыления на мощные компоненты в коммуникационном оборудовании для обеспечения тепловой изоляции.

3. Карбид кремния (SiC)-«Ядро силовой и радиочастотной электроники следующего поколения»
Ведущий полупроводник с широкой запрещенной полосой, это не только структурный материал, но и функциональный материал, революционизирующий традиционную электронику на основе кремния.

Преимущества: Чрезвычайно высокая теплопроводность (рассеивание тепла намного превышает медь), свойства полупроводника с широкой запрещенной полосой (выдерживание высокого напряжения, высокой температуры и высокой частоты), высокая твердость и низкий коэффициент теплового расширения.

Специфические применения:

• Мощные электронные устройства: производство MOSFET, диодов и других устройств. Устройства SiC могут работать при более высоких температурах, более высоких напряжениях и более высоких частотах, потребляя при этом меньше энергии. Они являются ядром новых энергетических транспортных средств, интеллектуальных сетей и промышленных приводов.
• Радиочастотные/микроволновые устройства: усилители мощности RF, используемые в базовых станциях связи 5G. Эпитаксиальные пластины GaN-on-SiC в настоящее время являются основным решением в высокопроизводительной радиочастотной области, предлагая огромную выходную мощность и эффективность.
• Высокопроизводительные подложки: выступающие в качестве радиаторов для мощных светодиодов и лазерных диодов (LD), их высокая теплопроводность позволяет им быстро рассеивать тепло, выделяемое микросхемами, обеспечивая производительность и срок службы устройства.
• Оптические зеркала: большие, легкие зеркальные заготовки, используемые в космических телескопах и спутниковых лазерных системах связи, благодаря их высокой жесткости, малому весу и отличной термической стабильности.

4. Нитрид кремния (Si₃N₄)-«Ключевая поддержка микросхем высокоскоростной оптической связи»
Эта структурная керамика похваляется превосходное всестороннее представление и имеет незаменимое, самое передовое применение в оптических связях.

Преимущества: Высокая теплопроводность, чрезвычайно низкий коэффициент теплового расширения (идеально соответствующий кремнию), высокая прочность на разрыв и отличная электрическая изоляция.

Специфические применения:

• Подложки модуля оптической связи: это наиболее ценное приложение. Он служит подложкой схемы для высокоскоростных оптических модулей приемопередатчика (например, 400G и 800G). Его коэффициент теплового расширения очень близок к коэффициенту теплового расширения кремниевых чипов, предотвращая значительное напряжение от растрескивания паяных соединений во время колебаний температуры, что значительно повышает долгосрочную надежность модуля. Кроме того, его теплопроводность лучше, чем у глинозема, что облегчает рассеивание тепла.
• Керамические подложки: они используются в качестве упаковочных подложек для силовых модулей и интегральных схем, особенно в аэрокосмической и автомобильной электронике, где высокая надежность имеет решающее значение.
• Тонкопленочные подложки: они используются для микроволновых цепей, которые требуют более высокой размерной стабильности и рассеивания тепла.