Główne surowce w produkcji półprzewodników: rodzaje podłoża płytki

Substraty płytek służą jako fizyczne nośniki urządzeń półprzewodnikowych, a ich właściwości materiałowe bezpośrednio wpływają na wydajność urządzenia, koszty i zakres zastosowań.Poniżej przedstawiono podstawowe rodzaje podłoża płytkowego oraz ich odpowiednie zalety i wady:

1Silikon (Si)

Udział w rynku: Dominuje ponad 95% światowego rynku półprzewodników.

Zalety:

• Niskie koszty: obfite surowce (dioksid krzemu) i dojrzałe procesy produkcyjne umożliwiają znaczące oszczędności skali.
• Wysoka kompatybilność procesów: Wysoce dojrzała technologia CMOS obsługuje wytwarzanie w skali nanometrycznej (np. węzły 3nm).
• Doskonała jakość kryształu: zdolny do produkcji wielkości (12-calowych kryształów podstawowych, 18-calowych w fazie rozwoju) z nisko wadliwymi pojedynczymi kryształami.
• Stabilne właściwości mechaniczne: Łatwe do cięcia, polerowania i przetwarzania.

- Nie.

Wady:

• Wąska przepustowość (1,12 eV): wysoki prąd przeciekowy w podwyższonych temperaturach, ograniczający wydajność urządzeń zasilania.
• Pośrednia przestrzeń pasmowa: Bardzo niska efektywność emisji światła, nieodpowiednia dla urządzeń optoelektronicznych (np. diody LED, lasery).
• Ograniczona mobilność elektronów: Gorsza wydajność wysokiej częstotliwości w porównaniu z półprzewodnikami złożonymi.

- Nie.

Płytki krzemowe ZMSH

2Arsenek galium (GaAs)

Zastosowania: Urządzenia RF o wysokiej częstotliwości (5G/6G), urządzenia optoelektroniczne (lasery, ogniwa słoneczne).

Zalety:

• Wysoka mobilność elektronów (56x większa niż w krzemu): Idealny do zastosowań o dużej prędkości i wysokiej częstotliwości (komunikacja w falach mm).
• Bezpośredni odstęp pasmowy (1,42 eV): Efektywna konwersja fotoelektryczna, stanowiąca podstawę laserów podczerwonych i diod LED.
• Odporność termiczna/promieniowa: nadaje się do zastosowań w przestrzeni kosmicznej i środowiskach o wysokiej temperaturze.

Wady:

• Wysoki koszt: materiał rzadki z złożonym wzrostem kryształu (przyzwyczajony do zwichnięć); rozmiary płytek są małe (6 cali pierwotne).
• Złamanie mechaniczne: skłonna do fragmentacji, co prowadzi do niskiej wydajności obróbki.
• Toksyczność: W przypadku obsługi arsenu wymagana jest ścisła kontrola.

- Nie.

Wafle GaAs ZMSH

3Karbid krzemowy (SiC)

Aplikacje: Urządzenia o wysokiej temperaturze/wysokim napięciu (inwertery EV, paliwa ładowania), przemysł lotniczy.

Zalety:

• szeroki zakres (3,26 eV): wytrzymuje wysokie napięcia (silność pola rozpadu 10 razy większa niż silnik krzemowy) i działa w temperaturze > 200 °C.
• Wysoka przewodność cieplna (3 razy większa niż w przypadku krzemu): efektywne rozpraszanie ciepła zwiększa gęstość mocy systemu.
• Niskie straty przełączania: Poprawia wydajność konwersji mocy.

Wady:

• Wyzwanie związane z przygotowaniem podłoża: powolny wzrost kryształu (> 1 tydzień) i trudna kontrola wad (mikroturbin, wyłamania); koszty 5×10x większe niż w przypadku krzemu.
• Małe rozmiary płytek: główne 4 ′′ 6 cali; rozwój 8 cali w toku.
• Trudna obróbka: Wysoka twardość (Mohs 9,5) sprawia, że cięcie i polerowanie wymagają dużo czasu.

- Nie.

Wafle SiC ZMSH

4. Azotyn galiowy (GaN)

Zastosowania: Urządzenia zasilania o wysokiej częstotliwości (szybkie ładowarki, stacje bazowe 5G), niebieskie diody LED/lasery.

Zalety:

• Ultrawysoka mobilność elektronów + szeroki zakres pasma (3,4 eV): łączy w sobie charakterystykę wysokiej częstotliwości (>100 GHz) i wysokiego napięcia.
• Niski opór: zmniejsza zużycie energii przez urządzenie.
• Heterogenna kompatybilność epitaxy: Często uprawiane na podłogach krzemu, szafiru lub SiC w celu obniżenia kosztów.

- Nie.

Wady:

• Trudność w rozwoju kryształów masowych: główny nurt opiera się na heterogenicznej epitacji, z wadami wywołanymi niezgodnością siatki.
• Wysokie koszty: samodzielne substraty GaN są drogie (2-calowe płytki mogą kosztować tysiące dolarów).
• Wyzwania w zakresie niezawodności: Efekt załamania prądu wymaga optymalizacji.

Wafle GaN ZMSH

5. Fosfor-indium (InP)

Zastosowania: szybka optoelektronika (lasery, detektory), urządzenia terahercowe.

Zalety:

• Ultra-wysoka mobilność elektronów: obsługuje pracę o wysokiej częstotliwości > 100 GHz (wyższa niż GaAs).
• Bezpośrednia przepustowość pasmowa z dopasowaniem długości fali: Krytyczna dla łączności światłowodowej o długości 1,3 ∼ 1,55 μm.

Wady:

• Łagodność i wysoki koszt: ceny podłoża są ponad 100 razy wyższe niż ceny krzemu; rozmiary płytek są małe (4-6 cali).

- Nie.

ZMSHInPpłytki

6Sapfir (Al2O3)

Zastosowania: oświetlenie LED (substraty epitaksowe GaN), pokrycia elektroniki użytkowej.

Zalety:

• Niskie koszty: Tańsze niż substraty SiC/GaN.
• Stabilność chemiczna: odporna na korozję i izolacyjna.
• Przejrzystość: nadaje się do diod LED o konstrukcji pionowej.

Wady:

• Niestosowanie sieci z GaN (> 13%) : W celu zmniejszenia defektów epitaksyalnych wymagane są warstwy buforowe.
• Słaba przewodność cieplna (≈1/20 przewodności krzemu): Ogranicza wydajność diod LED o dużej mocy.

ZMSHzafirowypłytki

7. Tlenek aluminium/substraty ceramiczne (np. AlN, BeO)

Zastosowania: Substraty rozpraszające ciepło dla modułów o dużej mocy.

Zalety:

• Izolacja + wysoka przewodność cieplna (AlN: 170 ̊230 W/m·K) : Idealne do opakowań o dużej gęstości.

Wady:

• Niejednokrystaliczne: Nie mogą bezpośrednio rozwijać urządzeń; używane wyłącznie jako podłoże opakowania.

Substrat ceramiczny z aluminy ZMSH

8. Specjalistyczne podłoże

• SOI (Silicon on Insulator):

1. Struktura: krzemowy/dioksyd krzemowy/sandwicz krzemowy.- Nie.
2. Zalety: Zmniejsza pojemność pasożytniczą, twardość promieniowania i prąd wyciekowy (używany w RF, MEMS).
3. Wady: 30-50% wyższy koszt niż silikon masowy.

• Kwarc (SiO2):Używane w fotomaskach, MEMS; odporne na ciepło, ale kruche.
• Diament:Najwyższa przewodność cieplna (>2000 W/m·K) w trakcie opracowywania dla ekstremalnego rozpraszania ciepła.

Wafer SOI ZMSH, wafer kwarcowy, podłoże diamentowe

Podsumowanie tabeli porównawczej

Kluczowe czynniki wyboru

1. Wymagania dotyczące wydajności: zastosowania o wysokiej częstotliwości preferują GaAs/InP; zastosowania o wysokim napięciu/wysokiej temperaturze wymagają SiC; optoelektronika preferuje GaAs/InP/GaN.
2. Ograniczenia kosztów: elektronika użytkowa daje pierwszeństwo krzemu; branże wysokiej klasy akceptują wyższe ceny dla SiC/GaN.
3. Złożoność integracji: Kompatybilność CMOS z krzemu pozostaje niezrównana.
4. Zarządzanie cieplne: Urządzenia o dużej mocy priorytetowo wykorzystują SiC lub GaN na bazie diamentu.
5. Dojrzałość łańcucha dostaw: krzemowy > szafir > GaAs > SiC > GaN > InP.

Przyszłe trendy

Heterogenna integracja (np. GaN na krzemu, SiC na GaN) zrównoważy wydajność i koszty, napędzając postępy w dziedzinie 5G, pojazdów elektrycznych i obliczeń kwantowych.

Usługi ZMSH - Nie.

Jako zintegrowany dostawca kompleksowych usług związanych z produkcją i handlem materiałami półprzewodnikowymi dostarczamy kompleksowe rozwiązania łańcucha dostaw produktów z substratów płytek (Si/GaAs/SiC/GaN itp.).) do fotorezystów i materiałów polerowych CMP. Wykorzystanie samodzielnie rozwiniętych baz produkcyjnych i zglobowanej sieci łańcucha dostaw,Łączymy zdolności szybkiej reakcji z profesjonalnym wsparciem technicznym, aby umożliwić klientom osiągnięcie stabilnych operacji łańcucha dostaw i innowacji technologicznych.- Nie.