Ifølge medierapporter fra 2025, promoverer TSMC, ved at udnytte sine mange års erfaring inden for 12-tommers wafer-fremstilling, udskiftningen af traditionelle keramiske substrater med stor-enkelt--krystal SiC. Siliciumcarbidmaterialer er opdelt i enkeltkrystallinsk SiC og polykrystallinsk SiC, hvor sidstnævnte hovedsageligt refererer til SiC-keramik.
Traditionelle keramiske substratmaterialer omfatter hovedsageligt Al2O3, BeO, AlN og Si3N4, men hver har sine ulemper: Al2O3-keramik har lav varmeledningsevne; BeO-keramik har en termisk udvidelseskoefficient (CTE), der adskiller sig væsentligt fra Si og er meget giftige, hvilket begrænser deres anvendelse; AlN keramik er dyrt og har lav styrke; Si3N4-keramik har relativt lav varmeledningsevne. SiC-keramik, med deres høje varmeledningsevne, høje styrke, høje hårdhed, høj temperaturbestandighed, korrosionsbestandighed, CTE tæt på Si, og høje nedbrydningsfeltstyrke, betragtes af forskere som et ideelt kandidatmateriale til keramiske substrater.
Anvendelser af Single-Crystal SiC-substrater
Underlag til IGBT-emballage
Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT'er) er vigtige enheder med høj-effekt inden for strømelektronik, der er meget udbredt i elektriske køretøjer, jernbanetransit, rumfart, solcelleproduktion, smart grids og andre områder. På grund af deres høje driftsstrøm, høje koblingsfrekvens og kompakte struktur genererer IGBT'er betydelig varme under drift. Hvis den ikke forsvinder med det samme, kan denne varme reducere enhedens effektivitet, forkorte levetiden eller endda forårsage fejl på enheden.
Den varme, der genereres af IGBT-moduler, ledes hovedsageligt til huset og spredes via det kobber-beklædte substrat, hvilket gør substratet til et nøglemateriale i varmeafledning til termisk styring. Den termiske ledningsevne af det kobber-beklædte substrat bestemmer direkte varmeafledningsydelsen for strømenheden.
I øjeblikket bruger IGBT-emballage stadig keramisk-baserede kobber-beklædte substrater, men keramiske materialer har generelt lav varmeledningsevne. For eksempel er den termiske ledningsevne af Al2O3-keramik kun 20 W/(m·K), den for Si3N4-keramik er 80 W/(m·K), og den for AlN-keramik er 180 W/(m·K). Efterhånden som IGBT-enhedens effekt fortsætter med at stige, er keramik med lav termisk ledningsevne gradvist ikke i stand til at opfylde kravene til chipvarmeafledning.
Et enkelt-krystal SiC AMB (Active Metal Brazing) kobber-beklædt substrat består af: et enkelt--krystal SiC-substrat, metalkobberlag på både top- og bundoverflader og et slaglodningslag mellem SiC-substratet og kobberlagene. Enkelt-SiC-substratet er lavet af høj-semi--isolerende enkelt--siC-materiale med høj resistivitet.
Substrater til SiC Power Modul Packaging
Sammenlignet med silicium-baserede moduler har SiC-strømmoduler meget højere effekttæthed. Imidlertid er SiC-chips mindre og har højere varmefluxtæthed, hvilket gør varmeafledning til et kritisk problem for SiC-strømmoduler.
I øjeblikket falder substrater, der bruges til elektroniske enheder og forskellige moduler, i tre kategorier: harpikssubstrater, keramiske substrater og metal-baserede substrater. Harpikssubstrater har en termisk ledningsevne på ca. 1 W/(m·K), dårlig varmeafledning, varmebestandighed og pålidelighed og bruges typisk til kontroltavler. Metal-baserede substrater har en termisk ledningsevne på ca. 2-6 W/(m·K) og bruges hovedsageligt til effektmoduler, der er klassificeret under 600 V/50 A. Keramiske substrater har termiske ledningsevner i området fra 20 til 170 W/(m·K) og bruges almindeligvis til højeffekt-,{12}Si3C-moduler.
Almindeligt anvendte keramiske substrater er Al2O3 og AlN substrater. Under termiske choktests genererer CTE-uoverensstemmelsen mellem det keramiske substrat og SiC-chippen termisk spænding ved kanterne af kobberlederen og inden i det keramiske substrat. Denne nedbrydning fører til revner, som påvirker SiC-strømmodulernes miljøpålidelighed og begrænser deres levetid.