El proceso de fabricación de sustratos cerámicos de alta conductividad térmica

Los sustratos cerámicos utilizados en dispositivos de alta potencia son mayoritariamente planos. El proceso de fabricación de sustratos cerámicos planos se divide en dos etapas: conformado y sinterización. Los procesos de conformado comunes y sus características se muestran en la Tabla 2. Entre ellos, el prensado en seco y la colada en cinta son ampliamente utilizados en la producción industrial de sustratos cerámicos. El diagrama de flujo del proceso de prensado en seco se muestra en la Figura 2a, donde la aplicación de presión y el tiempo de mantenimiento son los parámetros más importantes. La colada en cinta se considera un proceso económico, continuo y automatizado para la fabricación de sustratos cerámicos planos de gran tamaño, y su proceso se muestra en la Figura 2b. La colada en cinta se caracteriza por su bajo costo y alta eficiencia en la preparación de materiales y dispositivos multicapa, y se utiliza ampliamente en la fabricación de componentes como sustratos cerámicos cocidos a baja temperatura, condensadores y dispositivos cerámicos dieléctricos de microondas.

La sinterización de cerámicas es el proceso de formar bloques cerámicos densos a partir de polvos cerámicos a altas temperaturas. Los materiales de alta conductividad térmica, como el SiC, el AlN y el Si₃N₄, son difíciles de sinterizar en bloques cerámicos densos utilizando polvos cerámicos puros debido a sus enlaces covalentes particularmente fuertes. Generalmente, mediante la adición de aditivos de bajo punto de fusión, la mezcla para el moldeo y la posterior sinterización, se puede aumentar la densidad del cuerpo sinterizado. La sinterización se clasifica en sinterización en fase sólida y sinterización en fase líquida según se forme o no una fase líquida durante el proceso. Ambos procesos se basan en la reducción de la energía superficial total. La sinterización en fase sólida es un método de densificación cerámica que no requiere la participación de una fase líquida. Este proceso se logra principalmente mediante tres mecanismos: transporte de vapor, difusión en los límites de grano de la red cristalina y deformación plástica impulsada por la migración de dislocaciones. Estos mecanismos promueven conjuntamente conexiones densas y efectivas entre las partículas cerámicas dentro de la cerámica. La sinterización en fase líquida es un proceso de sinterización en el que los aditivos se transforman en un estado líquido a altas temperaturas, formando un sistema donde las partículas sólidas y la fase líquida se encuentran en equilibrio químico. A medida que avanza la sinterización, el crecimiento y la densificación de los granos cerámicos ocurren simultáneamente. Si se clasifican según el proceso, los procesos de sinterización se pueden dividir en sinterización sin presión (PLS), sinterización por presión de gas (GPS), sinterización por prensado en caliente (HPS), sinterización por presión isostática en caliente (HIPS) y sinterización por plasma de chispa (SPS). Entre ellos, SPS, HPS y HIPS no son adecuados para la producción a gran escala de sustratos cerámicos debido a sus exigentes condiciones y la complejidad de sus procesos.

Conclusión

El proceso de fabricación de sustratos cerámicos es relativamente sencillo, pero requiere un mayor control del proceso y una mayor estabilidad del producto. Los diferentes fabricantes tienen distintos estándares de control, por lo que es necesario elegir el proceso adecuado según las necesidades del cliente. Para más información, contáctenos en sales@innovacera.com