Negli ultimi anni, i veicoli elettrici, le locomotive elettriche, l’illuminazione a semiconduttori, l’aerospaziale, le comunicazioni satellitari e altri campi sono entrati in una fase di rapido sviluppo. I dispositivi elettronici utilizzati in questi campi funzionano in condizioni di corrente elevata, alta temperatura e alta frequenza. Per garantire la stabilità del funzionamento del dispositivo e del circuito, vengono posti requisiti più elevati ai portatori di chip. I substrati ceramici offrono eccellenti prestazioni termiche, proprietà alle microonde, proprietà meccaniche ed elevata affidabilità, rendendoli ampiamente applicabili in queste aree.
In base al materiale del substrato ceramico, i tipi principali attualmente includono substrati ceramici di allumina, substrati ceramici di nitruro di alluminio, substrati ceramici di nitruro di silicio, substrati ceramici di carburo di silicio, substrati ceramici di ossido di berillio e substrati ceramici di nitruro di boro.
1. Allumina
Le ceramiche di allumina hanno un'elevata durezza, con una durezza Rockwell di HRA 80–90, seconda solo al diamante. La loro resistenza all'usura è 266 volte quella dell'acciaio al manganese e 171,5 volte quella della ghisa ad alto contenuto di cromo-, prolungando la durata utile delle apparecchiature di almeno dieci volte nelle stesse condizioni operative. Inoltre, i substrati ceramici di allumina offrono elevata conduttività termica, buona resistività e stabilità termica e una bassa costante dielettrica. Di conseguenza, sono diventati il materiale preferito per i dispositivi e i sistemi microelettronici di prossima-generazione e sono ampiamente utilizzati nel settore aerospaziale, nelle comunicazioni 5G, nei semiconduttori ad alta-potenza, nell'illuminazione a LED ad alta-potenza e in altri campi.
2. Nitruro di alluminio
Le ceramiche di nitruro di alluminio sono diventate un materiale molto popolare nell'industria elettronica negli ultimi anni, grazie alla loro elevata conduttività termica (vicina a quella del carburo di silicio e dell'ossido di berillio e 5-10 volte quella dell'allumina), bassa costante dielettrica e perdita dielettrica, buone proprietà di isolamento elettrico e un coefficiente di dilatazione termica che corrisponde al silicio e all'arseniuro di gallio. Rispetto alle ceramiche all'ossido di berillio, le ceramiche al nitruro di alluminio non sono tossiche e hanno costi di produzione inferiori. Pertanto, le ceramiche al nitruro di alluminio sono attualmente substrati ceramici e materiali da imballaggio ideali ad alte prestazioni, con una forte tendenza a sostituire gradualmente le ceramiche tossiche di ossido di berillio e le ceramiche di allumina a basse prestazioni. La conduttività termica teorica delle ceramiche al nitruro di alluminio può raggiungere 320 W/m·K. Il nitruro di alluminio di elevata purezza è incolore e trasparente, ma le sue proprietà vengono facilmente influenzate dalla purezza chimica e dalla densità. Difetti reticolari come le impurità possono causare la dispersione dei fononi e ridurre significativamente la conduttività termica.
3. Nitruro di silicio
Il nitruro di silicio, in quanto materiale ceramico avanzato, presenta eccellenti proprietà meccaniche alle alte temperature, stabilità chimica, conduttività termica e isolamento elettrico, rendendolo un materiale di substrato elettronico altamente promettente. I substrati ceramici in nitruro di silicio dimostrano eccezionali proprietà meccaniche alle alte temperature, tra cui elevata resistenza allo scorrimento viscoso, resistenza all'ossidazione e resistenza all'usura. Ciò li rende adatti ad ambienti estremi come l'industria aerospaziale, energetica e petrolchimica. Nell'elettronica e nella gestione termica, i substrati ceramici in nitruro di silicio offrono un eccellente isolamento elettrico e un'elevata conduttività termica, soddisfacendo i requisiti di dissipazione del calore e di confezionamento dei dispositivi ad alta potenza e alta frequenza. Sono ampiamente utilizzati in moduli di semiconduttori di potenza, substrati di circuiti ad alta frequenza, sistemi elettronici ad alta temperatura e altri scenari importanti.
4. Nitruro di boro
Le ceramiche al nitruro di boro possiedono molte proprietà eccellenti. Il nitruro di boro ha una conduttività termica ultraelevata, con un valore teorico per i nanofogli di nitruro di boro esagonale fino a 1700–2000 W/(m·K). Presenta inoltre una buona stabilità alle alte temperature e resistenza all'ossidazione. Il nitruro di boro sublima a 3000 gradi, può essere utilizzato fino a 900 gradi in atmosfera ossidante, fino a 2000 gradi sotto vuoto e fino a 2800 gradi in atmosfera inerte. Nell'imballaggio dei semiconduttori, i substrati ceramici di nitruro di boro hanno una conduttività termica tre volte superiore a quella dei tradizionali substrati di allumina, migliorando efficacemente l'efficienza di dissipazione del calore dei chip.
5. Carburo di silicio
I materiali SiC sono principalmente suddivisi in tipi monocristallini e ceramici. Il SiC monocristallino è un materiale semiconduttore a banda proibita di terza generazione con ampio bandgap, elevata intensità del campo di rottura, bassa resistenza nello stato On, elevata mobilità degli elettroni saturi, elevata conduttività termica ed eccellente resistenza alle radiazioni. Queste proprietà lo rendono estremamente adatto per dispositivi elettronici che funzionano in ambienti difficili come alta temperatura o alta tensione. Il SiC policristallino (ovvero la ceramica SiC) ha una buona stabilità chimica, resistenza alle alte temperature, resistenza all'usura e resistenza alla corrosione e può presentare caratteristiche diverse a seconda dei processi di formatura e sinterizzazione utilizzati.
6. Ossido di berillio
I substrati ceramici di ossido di berillio sono caratterizzati da elevata conduttività termica, elevato punto di fusione, elevata resistenza, elevato isolamento, elevata stabilità chimica e termica, bassa costante dielettrica, bassa perdita dielettrica e buona adattabilità al processo. Sono particolarmente adatti per dispositivi elettronici ad alta potenza con requisiti di dissipazione del calore estremamente esigenti. Tuttavia, BeO è un materiale tossico. La polvere generata durante la produzione e l'utilizzo comporta gravi rischi per la salute umana e l'ambiente.