Enligt 2025 års mediarapporter främjar TSMC, med hjälp av sina år av erfarenhet av 12-tums wafertillverkning, ersättning av traditionella keramiska substrat med en-enkristall SiC i stor-storlek. Kiselkarbidmaterial är uppdelade i enkristallin SiC och polykristallin SiC, den senare avser huvudsakligen SiC-keramik.
Traditionella keramiska substratmaterial inkluderar huvudsakligen Al2O3, BeO, AlN och Si3N4, men vart och ett har sina nackdelar: Al2O3-keramer har låg värmeledningsförmåga; BeO-keramik har en termisk expansionskoefficient (CTE) som skiljer sig väsentligt från Si och är mycket giftiga, vilket begränsar deras användning; AlN-keramik är kostsamt och har låg hållfasthet; Si3N4-keramer har relativt låg värmeledningsförmåga. SiC-keramer, med sin höga värmeledningsförmåga, höga hållfasthet, höga hårdhet, hög temperaturbeständighet, korrosionsbeständighet, CTE nära SiC och höga nedbrytningsfältstyrka, betraktas av forskare som ett idealiskt kandidatmaterial för keramiska substrat.
Tillämpningar av Single-Crystal SiC-substrat
Substrat för IGBT-förpackningar
Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) är viktiga hög-enheter inom kraftelektronik, som ofta används inom elfordon, järnvägstrafik, flyg, solceller, smarta nät och andra områden. På grund av sin höga driftsström, höga kopplingsfrekvens och kompakta struktur genererar IGBT:er avsevärd värme under drift. Om den inte försvinner snabbt kan denna värme minska enhetens effektivitet, förkorta livslängden eller till och med orsaka enhetsfel.
Värmen som genereras av IGBT-moduler leds huvudsakligen till huset och avleds via det koppar-beklädda substratet, vilket gör substratet till ett nyckelmaterial i värmeavledning för värmehantering. Värmeledningsförmågan hos det koppar-beklädda substratet bestämmer direkt kraftenhetens värmeavledningsprestanda.
För närvarande använder IGBT-förpackningar fortfarande keramiska -baserade koppar-beklädda substrat, men keramiska material har i allmänhet låg värmeledningsförmåga. Till exempel är värmeledningsförmågan för Al2O3-keramer endast 20 W/(m·K), den för Si3N4-keramer är 80 W/(m·K), och den för AlN-keramer är 180 W/(m·K). När IGBT-enhetens effekt fortsätter att öka, klarar keramik med låg värmeledningsförmåga gradvis att inte uppfylla kraven på värmeavledning av chip.
Ett enkel-SiC AMB (Active Metal Brazing) koppar-beklätt substrat består av: ett enkel-SiC-substrat, metallkopparskikt på både topp- och bottenytor och ett lödningsfyllmedelsskikt mellan SiC-substratet och kopparskikten. Enkel-SiC-substratet är tillverkat av halv-isolerande enkristall-SiC-material med hög-resistivitet.
Substrat för SiC Power Module Packaging
Jämfört med-kiselbaserade moduler har SiC-strömmoduler mycket högre effekttäthet. SiC-chips är dock mindre och har högre värmeflödestäthet, vilket gör värmeavledning till ett kritiskt problem för SiC-kraftmoduler.
För närvarande delas substrat som används för elektroniska enheter och olika moduler in i tre kategorier: hartssubstrat, keramiska substrat och metall-baserade substrat. Hartssubstrat har en värmeledningsförmåga på cirka 1 W/(m·K), dålig värmeavledning, värmebeständighet och tillförlitlighet, och används vanligtvis för styrkort. Metall-baserade substrat har en värmeledningsförmåga på cirka 2–6 W/(m·K) och används huvudsakligen för effektmoduler klassade under 600 V/50 A. Keramiska substrat har värmeledningsförmåga som sträcker sig från 20 till 170 W/(m·K) och används ofta för högeffekts-,{13}Si3C-moduler.
Vanligt använda keramiska substrat är Al2O3 och AlN-substrat. Under termiska chocktester genererar CTE-felanpassningen mellan det keramiska substratet och SiC-chippet termisk påkänning vid kanterna på kopparledaren och inuti det keramiska substratet. Denna nedbrytning leder till sprickor, vilket påverkar miljötillförlitligheten hos SiC-kraftmoduler och begränsar deras livslängd.