Secondo i resoconti dei media del 2025, TSMC, sfruttando i suoi anni di esperienza nella produzione di wafer da 12-pollici, sta promuovendo la sostituzione dei substrati ceramici tradizionali con SiC a cristallo singolo-di grandi dimensioni-. I materiali in carburo di silicio sono suddivisi in SiC monocristallino e SiC policristallino, quest'ultimo riferito principalmente alla ceramica SiC.
I materiali di substrato ceramico tradizionali includono principalmente Al₂O₃, BeO, AlN e Si₃N₄, ma ognuno presenta i suoi svantaggi: le ceramiche Al₂O₃ hanno una bassa conduttività termica; Le ceramiche BeO hanno un coefficiente di dilatazione termica (CTE) che differisce significativamente dal Si e sono altamente tossiche, limitandone l'uso; Le ceramiche AlN sono costose e hanno una bassa resistenza; Le ceramiche Si₃N₄ hanno una conduttività termica relativamente bassa. Le ceramiche SiC, con la loro elevata conduttività termica, elevata resistenza, elevata durezza, resistenza alle alte temperature, resistenza alla corrosione, CTE vicino a quello del Si e elevata intensità del campo di rottura, sono considerate dai ricercatori come un materiale candidato ideale per i substrati ceramici.
Applicazioni di substrati SiC-singolocristallino
Substrati per imballaggi IGBT
I transistor bipolari a gate isolato (IGBT) sono importanti dispositivi ad alta-potenza nell'elettronica di potenza, ampiamente utilizzati nei veicoli elettrici, nel trasporto ferroviario, nel settore aerospaziale, nella produzione di energia fotovoltaica, nelle reti intelligenti e in altri campi. A causa dell'elevata corrente operativa, dell'elevata frequenza di commutazione e della struttura compatta, gli IGBT generano una notevole quantità di calore durante il funzionamento. Se non dissipato tempestivamente, questo calore può ridurre l'efficienza del dispositivo, ridurne la durata o addirittura causare guasti al dispositivo.
Il calore generato dai moduli IGBT viene principalmente condotto all'alloggiamento e dissipato tramite il substrato rivestito in rame-, rendendo il substrato un materiale chiave nella dissipazione del calore per la gestione termica. La conduttività termica del substrato rivestito in rame-determina direttamente le prestazioni di dissipazione del calore del dispositivo di alimentazione.
Attualmente, il packaging IGBT utilizza ancora substrati rivestiti in ceramica-a base di rame-, ma i materiali ceramici generalmente hanno una bassa conduttività termica. Ad esempio, la conduttività termica delle ceramiche Al₂O₃ è di soli 20 W/(m·K), quella delle ceramiche Si₃N₄ è di 80 W/(m·K) e quella delle ceramiche AlN è di 180 W/(m·K). Poiché la potenza dei dispositivi IGBT continua ad aumentare, le ceramiche a bassa conduttività termica non riescono gradualmente a soddisfare i requisiti di dissipazione del calore dei chip.
Un substrato rivestito in rame-singolo cristallo SiC AMB (Active Metal Brazing)- è costituito da: un substrato SiC singolo-cristallo, strati di rame metallico su entrambe le superfici superiore e inferiore e uno strato di riempimento per brasatura tra il substrato SiC e gli strati di rame. Il substrato SiC monocristallino- è realizzato in materiale SiC monocristallino-semiisolante ad alta-resistività.
Substrati per l'imballaggio dei moduli di potenza SiC
Rispetto ai moduli basati su silicio-, i moduli di potenza SiC hanno una densità di potenza molto più elevata. Tuttavia, i chip SiC sono più piccoli e hanno una densità di flusso termico più elevata, rendendo la dissipazione del calore un problema critico per i moduli di potenza SiC.
Attualmente, i substrati utilizzati per dispositivi elettronici e vari moduli rientrano in tre categorie: substrati in resina, substrati in ceramica e substrati a base di metallo-. I substrati in resina hanno una conduttività termica di circa 1 W/(m·K), scarsa dissipazione del calore, resistenza al calore e affidabilità e vengono generalmente utilizzati per le schede di controllo. I substrati a base di metallo- hanno una conduttività termica di circa 2–6 W/(m·K) e sono utilizzati principalmente per moduli di potenza con tensione nominale inferiore a 600 V/50 A. I substrati in ceramica hanno conduttività termica compresa tra 20 e 170 W/(m·K) e sono comunemente utilizzati per moduli SiC ad alta-potenza e-corrente.
I substrati ceramici comunemente usati sono i substrati Al₂O₃ e AlN. Durante i test di shock termico, la mancata corrispondenza del CTE tra il substrato ceramico e il chip SiC genera stress termico ai bordi del conduttore di rame e all'interno del substrato ceramico. Questo degrado porta a crepe, compromettendo l'affidabilità ambientale dei moduli di potenza SiC e limitandone la durata.