2025 মিডিয়া রিপোর্ট অনুসারে, TSMC, 12-ইঞ্চি ওয়েফার উত্পাদনে তার বছরের অভিজ্ঞতার সদ্ব্যবহার করে, বড়-আকারের একক-ক্রিস্টাল SiC দিয়ে ঐতিহ্যবাহী সিরামিক সাবস্ট্রেটের প্রতিস্থাপনের প্রচার করছে৷ সিলিকন কার্বাইড উপাদানগুলি একক-ক্রিস্টাল SiC এবং পলিক্রিস্টালাইন SiC-তে বিভক্ত, পরেরটি মূলত SiC সিরামিককে উল্লেখ করে।
ঐতিহ্যবাহী সিরামিক সাবস্ট্রেট উপাদানগুলির মধ্যে প্রধানত Al₂O₃, BeO, AlN, এবং Si₃N₄ অন্তর্ভুক্ত থাকে, কিন্তু প্রতিটিরই ত্রুটি রয়েছে: Al₂O₃ সিরামিকের তাপ পরিবাহিতা কম থাকে; BeO সিরামিকের একটি থার্মাল এক্সপেনশন (CTE) সহগ আছে যা Si থেকে উল্লেখযোগ্যভাবে আলাদা এবং অত্যন্ত বিষাক্ত, তাদের ব্যবহার সীমিত করে; AlN সিরামিক ব্যয়বহুল এবং কম শক্তি আছে; Si₃N₄ সিরামিকের তুলনামূলকভাবে কম তাপ পরিবাহিতা আছে। SiC সিরামিক, তাদের উচ্চ তাপ পরিবাহিতা, উচ্চ শক্তি, উচ্চ কঠোরতা, উচ্চ তাপমাত্রা প্রতিরোধ, জারা প্রতিরোধ, সিটির কাছাকাছি CTE, এবং উচ্চ ভাঙ্গন ক্ষেত্রের শক্তি, গবেষকরা সিরামিক সাবস্ট্রেটগুলির জন্য একটি আদর্শ প্রার্থী উপাদান হিসাবে বিবেচিত।
একক-ক্রিস্টাল SiC সাবস্ট্রেটের প্রয়োগ
IGBT প্যাকেজিংয়ের জন্য সাবস্ট্রেট
ইনসুলেটেড গেট বাইপোলার ট্রানজিস্টর (IGBTs) হল পাওয়ার ইলেকট্রনিক্সে গুরুত্বপূর্ণ উচ্চ ক্ষমতার ডিভাইস, যা বৈদ্যুতিক যান, রেল ট্রানজিট, মহাকাশ, ফটোভোলটাইক পাওয়ার জেনারেশন, স্মার্ট গ্রিড এবং অন্যান্য ক্ষেত্রে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়। তাদের উচ্চ অপারেটিং কারেন্ট, উচ্চ সুইচিং ফ্রিকোয়েন্সি এবং কমপ্যাক্ট কাঠামোর কারণে, IGBTগুলি অপারেশনের সময় যথেষ্ট তাপ উৎপন্ন করে। অবিলম্বে নষ্ট না হলে, এই তাপ ডিভাইসের কার্যকারিতা হ্রাস করতে পারে, পরিষেবার জীবনকে ছোট করতে পারে বা এমনকি ডিভাইসের ব্যর্থতার কারণ হতে পারে।
আইজিবিটি মডিউল দ্বারা উত্পন্ন তাপ প্রধানত হাউজিংয়ে সঞ্চালিত হয় এবং তামা{0}}পরিহিত সাবস্ট্রেটের মাধ্যমে অপসারিত হয়, যা তাপ ব্যবস্থাপনার জন্য তাপ অপচয়ের মূল উপাদান হিসেবে সাবস্ট্রেটকে পরিণত করে। তামার পরিবাহিতা-ক্ল্যাড সাবস্ট্রেট সরাসরি পাওয়ার ডিভাইসের তাপ অপচয়ের কার্যকারিতা নির্ধারণ করে।
বর্তমানে, IGBT প্যাকেজিং এখনও সিরামিক-ভিত্তিক তামা-পরিহিত সাবস্ট্রেট ব্যবহার করে, কিন্তু সিরামিক সামগ্রীতে সাধারণত তাপ পরিবাহিতা কম থাকে। উদাহরণস্বরূপ, Al₂O₃ সিরামিকের তাপ পরিবাহিতা মাত্র 20 W/(m·K), Si₃N₄ সিরামিকের হল 80 W/(m·K), এবং AlN সিরামিকের হল 180 W/(m·K)। IGBT ডিভাইসের শক্তি বৃদ্ধি অব্যাহত থাকায়, কম তাপ পরিবাহিতা সহ সিরামিকগুলি ধীরে ধীরে চিপ তাপ অপচয়ের প্রয়োজনীয়তা পূরণ করতে ব্যর্থ হচ্ছে।
একটি একক-ক্রিস্টাল SiC AMB (অ্যাকটিভ মেটাল ব্রেজিং) কপার-ক্ল্যাড সাবস্ট্রেটের মধ্যে থাকে: একটি একক-ক্রিস্টাল SiC সাবস্ট্রেট, উপরের এবং নীচের উভয় পৃষ্ঠে ধাতব তামার স্তর এবং SiC সাবস্ট্রেট এবং কপার স্তরগুলির মধ্যে একটি ব্রেজিং ফিলার স্তর। একক-ক্রিস্টাল SiC সাবস্ট্রেটটি তৈরি হয় উচ্চ-প্রতিরোধ ক্ষমতার আধা-অন্তরক একক-ক্রিস্টাল SiC উপাদান দিয়ে।
SiC পাওয়ার মডিউল প্যাকেজিংয়ের জন্য সাবস্ট্রেট
সিলিকন ভিত্তিক মডিউলের সাথে তুলনা করে, SiC পাওয়ার মডিউলগুলির শক্তির ঘনত্ব অনেক বেশি। যাইহোক, SiC চিপগুলি ছোট এবং উচ্চ তাপ প্রবাহের ঘনত্ব রয়েছে, যা SiC পাওয়ার মডিউলগুলির জন্য তাপ অপচয়কে একটি গুরুত্বপূর্ণ সমস্যা করে তোলে।
বর্তমানে, ইলেকট্রনিক ডিভাইস এবং বিভিন্ন মডিউলের জন্য ব্যবহৃত সাবস্ট্রেটগুলি তিনটি বিভাগে পড়ে: রজন সাবস্ট্রেট, সিরামিক সাবস্ট্রেট এবং ধাতু ভিত্তিক সাবস্ট্রেট-। রেজিন সাবস্ট্রেটগুলির তাপ পরিবাহিতা প্রায় 1 W/(m·K), দুর্বল তাপ অপচয়, তাপ প্রতিরোধের এবং নির্ভরযোগ্যতা রয়েছে এবং সাধারণত নিয়ন্ত্রণ বোর্ডের জন্য ব্যবহৃত হয়। মেটাল-ভিত্তিক সাবস্ট্রেটের তাপ পরিবাহিতা প্রায় 2-6 W/(m·K) থাকে এবং এটি প্রধানত 600 V/50 A-এর নিচে রেট দেওয়া পাওয়ার মডিউলের জন্য ব্যবহৃত হয়। সিরামিক সাবস্ট্রেটের তাপ পরিবাহিতা 20 থেকে 170 W/(m·K) পর্যন্ত থাকে এবং সাধারণত উচ্চ শক্তি,{1}}{3} {3}Current উচ্চ শক্তির জন্য ব্যবহৃত হয়।
সাধারণত ব্যবহৃত সিরামিক সাবস্ট্রেট হল Al₂O₃ এবং AlN সাবস্ট্রেট। তাপীয় শক পরীক্ষার সময়, সিরামিক সাবস্ট্রেট এবং SiC চিপের মধ্যে CTE অমিল তামা কন্ডাকটরের প্রান্তে এবং সিরামিক সাবস্ট্রেটের মধ্যে তাপীয় চাপ তৈরি করে। এই অবক্ষয় ফাটল সৃষ্টি করে, যা SiC পাওয়ার মডিউলগুলির পরিবেশগত নির্ভরযোগ্যতাকে প্রভাবিত করে এবং তাদের পরিষেবা জীবন সীমিত করে।