2025 کی میڈیا رپورٹس کے مطابق، TSMC، 12-انچ ویفر مینوفیکچرنگ میں اپنے سالوں کے تجربے سے فائدہ اٹھاتے ہوئے، بڑے-سائز سنگل-کرسٹل SiC کے ساتھ روایتی سیرامک سبسٹریٹس کو تبدیل کرنے کو فروغ دے رہا ہے۔ سلیکن کاربائیڈ مواد کو سنگل کرسٹل SiC اور پولی کرسٹل لائن SiC میں تقسیم کیا گیا ہے، جو بعد میں بنیادی طور پر SiC سیرامکس کا حوالہ دیتے ہیں۔
روایتی سیرامک سبسٹریٹ مواد میں بنیادی طور پر Al₂O₃، BeO، AlN، اور Si₃N₄ شامل ہیں، لیکن ہر ایک کی اپنی خامیاں ہیں: Al₂O₃ سیرامک میں تھرمل چالکتا کم ہے۔ BeO سیرامکس میں تھرمل ایکسپینشن (CTE) کا گتانک ہے جو Si سے نمایاں طور پر مختلف ہے اور انتہائی زہریلے ہیں، ان کے استعمال کو محدود کرتے ہیں۔ ایل این سیرامکس مہنگے ہیں اور ان کی طاقت کم ہے۔ Si₃N₄ سیرامکس میں نسبتاً کم تھرمل چالکتا ہے۔ SiC سیرامکس، ان کی اعلی تھرمل چالکتا، اعلی طاقت، اعلی سختی، اعلی درجہ حرارت کی مزاحمت، سنکنرن مزاحمت، سی کے قریب CTE، اور اعلی خرابی والے فیلڈ کی طاقت کے ساتھ، محققین کی طرف سے سیرامک سبسٹریٹس کے لئے ایک مثالی امیدوار مواد کے طور پر شمار کیا جاتا ہے.
سنگل{{0}کرسٹل SiC سبسٹریٹس کی ایپلی کیشنز
IGBT پیکیجنگ کے لیے ذیلی ذخائر
انسولیٹڈ گیٹ بائپولر ٹرانزسٹرز (IGBTs) پاور الیکٹرانکس میں اہم ہائی-پاور ڈیوائسز ہیں، جو برقی گاڑیوں، ریل ٹرانزٹ، ایرو اسپیس، فوٹو وولٹک پاور جنریشن، سمارٹ گرڈز اور دیگر شعبوں میں بڑے پیمانے پر استعمال ہوتے ہیں۔ اپنے اعلی آپریٹنگ کرنٹ، ہائی سوئچنگ فریکوئنسی، اور کمپیکٹ ڈھانچے کی وجہ سے، IGBTs آپریشن کے دوران کافی گرمی پیدا کرتے ہیں۔ اگر فوری طور پر ختم نہ کیا جائے تو، یہ حرارت آلہ کی کارکردگی کو کم کر سکتی ہے، سروس کی زندگی کو مختصر کر سکتی ہے، یا آلہ کی ناکامی کا سبب بھی بن سکتی ہے۔
IGBT ماڈیولز کی طرف سے پیدا ہونے والی حرارت بنیادی طور پر ہاؤسنگ تک پہنچائی جاتی ہے اور تانبے کے پوش ذیلی ذخیرے کے ذریعے پھیل جاتی ہے، جس سے سبسٹریٹ کو تھرمل مینجمنٹ کے لیے حرارت کی کھپت میں کلیدی مواد بناتا ہے۔ تانبے کی تھرمل چالکتا-پوشیدہ سبسٹریٹ بجلی کے آلے کی حرارت کی کھپت کی کارکردگی کا براہ راست تعین کرتی ہے۔
فی الحال، IGBT پیکیجنگ میں اب بھی سیرامک-پر مبنی تانبے-کلاد سبسٹریٹس کا استعمال ہوتا ہے، لیکن سیرامک مواد میں عام طور پر تھرمل چالکتا کم ہوتی ہے۔ مثال کے طور پر، Al₂O₃ سیرامکس کی تھرمل چالکتا صرف 20 W/(m·K) ہے، یعنی Si₃N₄ سیرامکس کی 80 W/(m·K) ہے، اور AlN سیرامکس کی 180 W/(m·K) ہے۔ جیسے جیسے IGBT ڈیوائس کی طاقت میں اضافہ ہوتا جا رہا ہے، کم تھرمل چالکتا کے ساتھ سیرامکس آہستہ آہستہ چپ گرمی کی کھپت کی ضروریات کو پورا کرنے میں ناکام ہو رہے ہیں۔
ایک سنگل-کرسٹل SiC AMB (ایکٹو میٹل بریزنگ) کاپر-کلڈ سبسٹریٹ پر مشتمل ہوتا ہے: سنگل-کرسٹل SiC سبسٹریٹ، اوپر اور نیچے دونوں سطحوں پر دھاتی تانبے کی تہہ، اور SiC سبسٹریٹ اور تانبے کی تہوں کے درمیان بریزنگ فلر پرت۔ سنگل-کرسٹل SiC سبسٹریٹ ہائی-ریزسٹیویٹی نیم-انسولیٹنگ سنگل-کرسٹل SiC مواد سے بنا ہے۔
SiC پاور ماڈیول پیکیجنگ کے لیے ذیلی ذخائر
سلیکون پر مبنی ماڈیولز کے مقابلے میں، SiC پاور ماڈیولز کی طاقت کی کثافت بہت زیادہ ہوتی ہے۔ تاہم، SiC چپس چھوٹے ہوتے ہیں اور ان میں ہیٹ فلوکس کثافت زیادہ ہوتی ہے، جس سے گرمی کی کھپت SiC پاور ماڈیولز کے لیے ایک اہم مسئلہ بن جاتی ہے۔
فی الحال، الیکٹرانک آلات اور مختلف ماڈیولز کے لیے استعمال ہونے والے ذیلی ذخیرے تین زمروں میں آتے ہیں: رال کے سبسٹریٹس، سیرامک سبسٹریٹس، اور میٹل پر مبنی ذیلی ذخائر۔ رال سبسٹریٹس کی تھرمل چالکتا تقریباً 1 W/(m·K) ہوتی ہے، گرمی کی خراب کھپت، گرمی کی مزاحمت، اور قابل اعتماد ہوتی ہے، اور عام طور پر کنٹرول بورڈز کے لیے استعمال ہوتے ہیں۔ میٹل-بیسڈ سبسٹریٹس کی تھرمل چالکتا تقریباً 2–6 W/(m·K) ہوتی ہے اور یہ بنیادی طور پر 600 V/50 A سے کم درجہ بندی والے پاور ماڈیولز کے لیے استعمال ہوتے ہیں۔ سیرامک سبسٹریٹس میں تھرمل چالکتا 20 سے 170 W/(m·K) تک ہوتی ہے اور یہ عام طور پر ہائی پاور،{1}}{3}{3}موٹر کرنٹ کے لیے استعمال ہوتے ہیں۔
عام طور پر استعمال ہونے والے سیرامک سبسٹریٹس Al₂O₃ اور AlN سبسٹریٹس ہیں۔ تھرمل شاک ٹیسٹ کے دوران، سیرامک سبسٹریٹ اور SiC چپ کے درمیان سی ٹی ای کی مماثلت تانبے کے کنڈکٹر کے کناروں اور سیرامک سبسٹریٹ کے اندر تھرمل تناؤ پیدا کرتی ہے۔ یہ انحطاط دراڑ کا باعث بنتا ہے، جس سے SiC پاور ماڈیولز کی ماحولیاتی وشوسنییتا متاثر ہوتی ہے اور ان کی سروس لائف محدود ہوتی ہے۔