Microelectrónica: El poder del SiC en el interior

Introducción: La revolución de los semiconductores con carburo de silicio personalizado

En la incesante búsqueda de sistemas electrónicos más eficientes, potentes y compactos, la industria de la microelectrónica se encuentra en la cúspide de una transformación significativa, impulsada en gran medida por la llegada de materiales avanzados. Entre ellos, el carburo de silicio (SiC) se ha convertido en un líder, prometiendo redefinir los límites del rendimiento en aplicaciones de alta potencia y alta frecuencia. Los productos de carburo de silicio personalizados no son simplemente una mejora incremental; representan un cambio fundamental, que ofrece una conductividad térmica sin precedentes, una mayor resistencia del campo eléctrico de ruptura y una banda prohibida más amplia en comparación con el silicio tradicional. Estas propiedades intrínsecas hacen que el SiC sea un material esencial para los dispositivos microelectrónicos de próxima generación, fundamentales para industrias que van desde la automotriz y la aeroespacial hasta la energía renovable y las telecomunicaciones. A medida que crece la demanda de un rendimiento superior, eficiencia energética y fiabilidad operativa en condiciones extremas, el papel de los componentes SiC personalizados, adaptados a las necesidades específicas de la aplicación, se vuelve cada vez más vital. Esta publicación de blog profundiza en el poder transformador del carburo de silicio en microelectrónica, explorando sus aplicaciones, ventajas, consideraciones de diseño y los factores que hacen que un proveedor de SiC confiable sea indispensable para los fabricantes que buscan mantenerse a la vanguardia en un panorama competitivo. Exploraremos por qué los ingenieros, los gerentes de adquisiciones y los compradores técnicos recurren cada vez más a soluciones SiC personalizadas para desbloquear nuevas posibilidades en el rendimiento de los dispositivos y la eficiencia del sistema.

El viaje del carburo de silicio, de un material de nicho a una piedra angular de la microelectrónica moderna, es un testimonio de sus excepcionales características. Su capacidad para funcionar a temperaturas, voltajes y frecuencias más altas abre las puertas a la innovación que antes eran inalcanzables con las tecnologías basadas en silicio. Para las empresas de fabricación de semiconductores, electrónica de potencia y más allá, comprender y aprovechar las capacidades del SiC personalizado ya no es opcional, sino un imperativo estratégico para el crecimiento futuro y el liderazgo tecnológico.

El papel en expansión del SiC en microelectrónica: diversas aplicaciones

Las propiedades electrónicas y térmicas únicas del carburo de silicio han impulsado su adopción en una diversa gama de aplicaciones microelectrónicas, cambiando fundamentalmente la forma en que se gestiona, convierte y controla la energía. Sus características de rendimiento superiores son particularmente impactantes en sectores de alta demanda.

• Electrónica de potencia: Los dispositivos basados en SiC, como los MOSFET, los diodos Schottky y los módulos de potencia, están revolucionando la conversión de energía. Permiten frecuencias de conmutación y temperaturas de funcionamiento significativamente más altas, lo que da lugar a fuentes de alimentación, inversores y convertidores más pequeños, ligeros y eficientes. Esto es fundamental para los vehículos eléctricos (VE), los sistemas de energía renovable (inversores solares y eólicos) y los accionamientos de motores industriales. La demanda de los dispositivos de potencia de SiC está aumentando rápidamente.
• Industria del automóvil: Más allá de los trenes motrices de los vehículos eléctricos (inversores, cargadores integrados, convertidores CC-CC), el SiC se está utilizando en diversos sensores automotrices y en electrónica de alta temperatura, lo que contribuye a mejorar el rendimiento, la autonomía y la fiabilidad de los vehículos.
• Aeroespacial y Defensa: La capacidad del SiC para soportar entornos hostiles (altas temperaturas, radiación y estrés mecánico) lo hace ideal para aplicaciones aeroespaciales y de defensa. Esto incluye sistemas de alimentación para satélites, sistemas de radar y aviónica, donde la fiabilidad y el rendimiento son primordiales. La electrónica de SiC de alta temperatura son cruciales aquí.
• Energía renovable: Los inversores de SiC son clave para mejorar la eficiencia de la conversión de energía solar y eólica, maximizando la producción de energía y reduciendo los costes del sistema. Su robustez también contribuye a una mayor vida útil en condiciones exteriores exigentes.
• Telecomunicaciones: En las tecnologías de comunicación 5G y futuras, el SiC se utiliza en amplificadores de potencia de radiofrecuencia (RF) y dispositivos de alta frecuencia, ofreciendo un mejor rendimiento y gestión térmica para estaciones base y otros componentes de infraestructura.
• Fabricación industrial: Los dispositivos de SiC de alta potencia mejoran la eficiencia de los equipos industriales, incluidos los sistemas de calentamiento por inducción, las fuentes de alimentación de soldadura y los sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI), lo que se traduce en un ahorro de energía y una mayor productividad. Componentes industriales de SiC se están convirtiendo en estándar.
• Fabricación de LED: Aunque el GaN-on-SiC es común, los propios sustratos de SiC desempeñan un papel debido a sus propiedades térmicas, contribuyendo a la longevidad y el rendimiento de los LED de alto brillo.
• Sensores de alta temperatura: La estabilidad del SiC a temperaturas extremas permite el desarrollo de sensores capaces de funcionar en entornos donde los sensores basados en silicio fallarían, como en motores de combustión, turbinas y monitorización de procesos industriales.

La integración de las obleas de carburo de silicio personalizadas y la epitaxia es fundamental para estas aplicaciones, lo que permite la adaptación precisa de las propiedades del material para satisfacer las demandas específicas de cada caso de uso. A medida que la tecnología evoluciona, se espera que las aplicaciones del SiC en microelectrónica se expandan aún más, impulsando la innovación y la eficiencia en numerosas industrias.

Por qué el SiC personalizado está revolucionando la microelectrónica

El cambio hacia soluciones personalizadas de carburo de silicio en microelectrónica no es solo una tendencia; es una respuesta estratégica a la creciente demanda de mayor rendimiento, mayor eficiencia y mayor fiabilidad en los dispositivos y sistemas electrónicos. Los componentes disponibles en el mercado pueden ofrecer beneficios generales, pero fabricación de SiC a medida permite a los ingenieros desbloquear todo el potencial del material adaptando sus propiedades y diseño a los requisitos específicos, y a menudo exigentes, de la aplicación.

Las ventajas clave que impulsan esta revolución incluyen:

• Gestión térmica optimizada: El SiC posee una conductividad térmica aproximadamente tres veces superior a la del silicio. Los componentes de SiC personalizados pueden diseñarse con geometrías específicas y características de integración que maximicen la disipación del calor. Esto es crucial para aplicaciones de alta densidad de potencia, ya que permite que los dispositivos funcionen más fríos, reduciendo la necesidad de sistemas de refrigeración voluminosos y prolongando la vida útil. Por ejemplo, los difusores de calor o sustratos personalizados pueden adaptarse al perfil térmico de un módulo de potencia específico.
• Rendimiento eléctrico mejorado:
  • Funcionamiento a mayor voltaje: El campo eléctrico de ruptura del SiC es aproximadamente diez veces superior al del silicio. La personalización permite estructuras de dispositivos (por ejemplo, perfiles de dopaje específicos, extensiones de terminación de unión en MOSFET de SiC) optimizadas para tensiones muy altas sin comprometer la resistencia o la velocidad de conmutación.
  • Frecuencias de conmutación más altas: Los dispositivos de SiC pueden conmutar mucho más rápido que sus homólogos de silicio, lo que lleva a componentes pasivos (inductores, condensadores) más pequeños y, por lo tanto, a sistemas más compactos y ligeros. Los diseños personalizados pueden afinar las características de la puerta y reducir las capacitancias parásitas para un rendimiento de conmutación óptimo.
  • Menores pérdidas de energía: La mayor banda prohibida y la menor resistencia (R_DS(on)) de los dispositivos de SiC se traducen en pérdidas de conducción y conmutación significativamente reducidas. La personalización puede minimizar aún más estas pérdidas optimizando el tamaño de la pastilla, el área activa y las estructuras internas para un punto de funcionamiento determinado.
• Mayor densidad de potencia: La combinación de propiedades térmicas y eléctricas superiores permite una densidad de potencia mucho mayor. Los componentes de SiC personalizados permiten el diseño de dispositivos más potentes en paquetes más pequeños, un factor crítico en aplicaciones como vehículos eléctricos, sistemas de alimentación portátiles y accionamientos industriales compactos.
• Fiabilidad mejorada en entornos hostiles: La robustez inherente del SiC significa que puede funcionar de forma fiable a temperaturas superiores a 200 °C y es más resistente a la radiación. La personalización puede implicar soluciones de embalaje específicas o composiciones de materiales que mejoren aún más esta resistencia para aplicaciones aeroespaciales, de perforación de pozos o industriales pesadas.
• Factores de forma específicos de la aplicación: No todas las aplicaciones pueden adaptarse a tamaños o formas de componentes estándar. Las piezas de SiC personalizadas pueden fabricarse con geometrías, grosores y metalizaciones o capas de interfaz específicas para integrarse a la perfección en sistemas complejos o con limitaciones de espacio. Esto incluye obleas de tamaño personalizado, sustratos de forma única o elementos de sensor integrados.
• Reducción de los costos a nivel de sistema: Aunque el material SiC en sí mismo puede ser más caro que el silicio, las soluciones de SiC personalizadas a menudo conducen a menores costes generales del sistema. Esto se consigue mediante una mayor eficiencia (menos energía desperdiciada), menores requisitos de refrigeración, componentes periféricos más pequeños y una mayor vida útil del sistema con menos mantenimiento.

Al optar por el carburo de silicio personalizado, las empresas pueden obtener una ventaja competitiva significativa, desarrollando productos que no sólo son más eficientes y fiables, sino que también están optimizados específicamente para los retos únicos de su mercado objetivo. Este enfoque a medida es lo que realmente revoluciona el diseño y el rendimiento microelectrónico.

Grados clave de material SiC para aplicaciones microelectrónicas

El excepcional rendimiento del carburo de silicio en microelectrónica se basa en sus diversos politipos, cada uno de los cuales posee distintas estructuras cristalinas y propiedades electrónicas. La elección del grado de SiC es fundamental y depende en gran medida de los requisitos específicos de la aplicación. Los politipos más destacados para dispositivos microelectrónicos son 4H-SiC y 6H-SiC, y el SiC cultivado por Lely y Van Arkel (CVD) suele referirse a métodos de crecimiento o formas especializadas de alta pureza.

Politipo/Grado SiC	Propiedades clave	Principales aplicaciones microelectrónicas	Consideraciones
4H-SiC (Hexagonal)	Banda prohibida más amplia (~3,26 eV) Mayor movilidad de los electrones (especialmente perpendicular al eje c) Movilidad isotrópica de los electrones Menor anisotropía de dopaje	Dispositivos de alta potencia y alta frecuencia: MOSFET Diodos de barrera Schottky (SBD) Transistores de efecto de campo de puerta de unión (JFET) Transistores de unión bipolar (BJT) Circuitos integrados (CI) Preferido para la mayoría de los dispositivos de potencia modernos.	Elección dominante para dispositivos de potencia verticales debido a la movilidad superior de los electrones. Puede tener una mayor densidad de dislocaciones del plano basal (BPD), aunque los avances están mitigando esto. Requiere una alta calidad epitaxia de SiC para un rendimiento óptimo del dispositivo.
6H-SiC (Hexagonal)	Banda prohibida (~3,03 eV) Tecnología históricamente más madura Movilidad anisotrópica de los electrones	Históricamente utilizado para: LED azules (como sustrato) Algunos MESFET de alta frecuencia Desarrollo inicial de dispositivos de potencia Menos común para nuevos diseños de dispositivos de potencia ahora.	La menor movilidad de los electrones y la mayor anisotropía en comparación con el 4H-SiC lo hacen menos ideal para la conmutación de potencia de alto rendimiento. Sin embargo, su tecnología está bien establecida para ciertas aplicaciones de sustrato.
3C-SiC (Cúbico)	Banda prohibida más pequeña (~2,36 eV) Propiedades isotrópicas Potencialmente puede cultivarse en sustratos de silicio de gran diámetro (heteroepitaxia)	Investigación y aplicaciones de nicho: Sensores MEMS Potencial para dispositivos de SiC de menor coste si se superan los retos del crecimiento en Si.	El crecimiento de capas 3C-SiC gruesas y de alta calidad sobre silicio es un reto debido a los desajustes de la red y la expansión térmica, lo que conduce a altas densidades de defectos. Aún no se ha adoptado ampliamente para la electrónica de potencia convencional.
SiC semi-aislante de alta pureza (HPSI)	Resistividad muy alta (>105 Ω·cm) Normalmente politipo 4H-SiC o 6H-SiC Bajos niveles de impurezas de fondo	Sustratos para: Amplificadores de potencia de radiofrecuencia (por ejemplo, HEMT de GaN-on-SiC) Dispositivos de alta frecuencia Requiere una excelente conductividad térmica y aislamiento eléctrico.	Crítico para las aplicaciones de RF para minimizar las pérdidas del sustrato y asegurar el aislamiento del dispositivo. El dopaje con vanadio o la ingeniería de defectos intrínsecos se utiliza para lograr propiedades semi-aislantes. Calidad de sustratos de SiC de alta pureza es primordial.

Más allá de estos politipos, la calidad del material SiC, particularmente en forma de oblea, es primordial. Esto incluye factores como:

• Densidad de microporos (MPD): Estos son defectos de dislocación en espiral que pueden ser mortales para los dispositivos, especialmente en aplicaciones de alta potencia. Las obleas de SiC modernas buscan una densidad de micropipos cercana a cero.
• Densidad de dislocación del plano basal (BPD): Los BPD pueden propagarse a la capa epitaxial y afectar al rendimiento y la fiabilidad del dispositivo, especialmente para los dispositivos bipolares.
• Defectos de apilamiento: Estos pueden aumentar la tensión en estado de encendido de los diodos PiN y los BJT con el tiempo.
• Calidad y planitud de la superficie: Esencial para el crecimiento epitaxial y los procesos de fotolitografía posteriores.

La selección del grado de SiC adecuado y la garantía de una alta calidad del material son pasos fundamentales en la fabricación de dispositivos microelectrónicos fiables y eficientes. Para los gestores de compras y los compradores técnicos, especificar el grado correcto y comprender las implicaciones de los defectos del material son cruciales a la hora de obtener obleas de SiC personalizadas o sustratos.

Consideraciones de diseño críticas para la microelectrónica basada en SiC

El diseño de dispositivos y sistemas microelectrónicos con carburo de silicio requiere un enfoque matizado que aproveche sus ventajas únicas a la vez que mitiga los posibles desafíos. Los ingenieros deben considerar varios factores críticos, desde el nivel del dispositivo hasta la integración del sistema, para explotar plenamente las capacidades del SiC para aplicaciones de alta potencia, alta temperatura y alta frecuencia.

• Optimización de la arquitectura del dispositivo:
  • MOSFET: La fiabilidad del óxido de puerta (interfaz SiO₂/SiC) es una preocupación clave. La densidad de trampas de interfaz (D_it) afecta a la movilidad del canal y a la estabilidad de la tensión de umbral. Las técnicas de pasivación, los materiales del óxido de puerta y los procesos de recocido son críticos. El diseño de la región JFET en los MOSFET de trinchera o el paso de celda en los MOSFET planos impacta en R_DS(on) y en el tiempo de resistencia a cortocircuitos.
  • Diodos: Para los diodos Schottky, la ingeniería de la altura de la barrera es importante para equilibrar la caída de tensión directa y la corriente de fuga inversa. Los diseños de Schottky de barrera de unión (JBS) y Schottky PiN fusionados (MPS) mejoran la capacidad de corriente de sobretensión y reducen las fugas. Para los diodos PiN, es crucial la gestión de la degradación bipolar debida a la expansión de fallas de apilamiento.
  • Terminación de bordes: Debido al alto campo de ruptura del SiC, las estructuras de terminación de bordes eficaces (por ejemplo, extensiones de terminación de unión (JTE), placas de campo, anillos de guarda) son esenciales para evitar la ruptura prematura en las periferias del dispositivo y alcanzar las tensiones de bloqueo teóricas. Es vital la personalización de estas estructuras para clases de tensión específicas.
• Ingeniería del perfil de dopaje: El control preciso de las concentraciones de dopaje (tipo n y tipo p) en las capas de deriva, las regiones del canal y las capas de contacto es fundamental. Las altas energías de activación de algunos dopantes en SiC requieren recocido a alta temperatura. Para soluciones SiC personalizadas, se pueden solicitar perfiles de dopaje específicos para optimizar las características del dispositivo, como la tensión de ruptura, la resistencia en estado de conducción y la velocidad de conmutación.
• Estrategia de gestión térmica: Aunque el SiC tiene una excelente conductividad térmica, las altas densidades de potencia alcanzables implican que la gestión térmica a nivel de la oblea, el encapsulado y el sistema sigue siendo crítica. Las consideraciones de diseño incluyen los materiales de fijación de la oblea, la selección del sustrato (por ejemplo, cobre unido directamente, soldadura fuerte de metal activo) y el diseño del disipador térmico. La modelización y simulación térmica son esenciales.
• Diseño de accionamiento de puerta para MOSFET de SiC: Los MOSFET de SiC suelen requerir tensiones de excitación de puerta específicas (por ejemplo, +20 V para la conexión, -2 V a -5 V para la desconexión) para garantizar una baja R_DS(on) y evitar la conexión parásita. Las rápidas velocidades de conmutación requieren controladores de puerta con alta capacidad de suministro/absorción de corriente y baja inductancia parásita en el bucle de puerta para minimizar el ringing y el sobreimpulso.
• Gestión de la inductancia y capacitancia parásitas: Las rápidas tasas dV/dt y dI/dt de los dispositivos de SiC pueden exacerbar los problemas con la inductancia y la capacitancia parásitas en el encapsulado y la disposición de la PCB, lo que provoca sobreimpulsos de tensión, ringing y EMI. Son cruciales una disposición cuidadosa, la minimización de las áreas de bucle y el uso de condensadores de desacoplo adecuados. Las soluciones de encapsulado avanzadas para módulos de potencia de SiC se centran en minimizar estas parásitas.
• Protección contra cortocircuitos: Los MOSFET de SiC suelen tener un tiempo de resistencia a cortocircuitos más bajo en comparación con los IGBT de silicio debido a su menor tamaño de oblea para una clasificación de corriente dada. Son vitales los mecanismos de detección y protección contra cortocircuitos robustos y de acción rápida.
• Calidad de los materiales y defectos: El diseño debe tener en cuenta la presencia de defectos materiales como BPD y fallas de apilamiento, que pueden afectar a la fiabilidad a largo plazo. Los diseños de los dispositivos pueden incorporar características para mitigar el impacto de estos defectos, o se requieren especificaciones de materiales estrictas para Sustratos de SiC .
• Compensaciones de costes frente a rendimiento: Si bien el SiC ofrece un rendimiento superior, generalmente es más caro que el silicio. Los diseñadores deben tomar decisiones informadas para equilibrar las ganancias de rendimiento con las implicaciones de costos, considerando los beneficios generales del sistema. La personalización podría implicar la optimización del tamaño del dado para una clasificación de corriente específica para administrar los costos de manera efectiva.

Abordar estas consideraciones de diseño de manera efectiva requiere una profunda experiencia en la física de los dispositivos de SiC, los procesos de fabricación y los requisitos de la aplicación. La colaboración con expertos proveedores de cerámica técnica y especialistas en SiC puede proporcionar información valiosa para optimizar los diseños.

Lograr precisión: tolerancia, acabado superficial y calidad de la oblea en microelectrónica de SiC

En el ámbito de la microelectrónica de carburo de silicio, la precisión no es solo un objetivo; es un requisito fundamental para la funcionalidad y la fiabilidad. La fabricación de obleas, sustratos y componentes personalizados de SiC exige un control excepcionalmente estricto de las tolerancias dimensionales, el acabado superficial y la calidad general del material. Estos factores impactan directamente en los procesos posteriores, como el crecimiento epitaxial, la fotolitografía, la fabricación de dispositivos y, en última instancia, el rendimiento y el rendimiento de los dispositivos basados en SiC.

Tolerancias dimensionales:

• Diámetro y grosor de la oblea: Las obleas de SiC estándar vienen en diámetros como 100 mm, 150 mm y, cada vez más, 200 mm. Las tolerancias de espesor suelen estar dentro de unos pocos micrómetros (µm) para las obleas de primera calidad. Para piezas de SiC a medida, podrían requerirse espesores específicos o modificaciones de diámetro, lo que exige capacidades precisas de corte y rectificado.
• Planitud (TTV, pandeo, alabeo): La variación total del espesor (TTV), la combadura y la deformación son parámetros críticos, especialmente para la fotolitografía, donde se necesita una superficie muy plana para una transferencia precisa del patrón. La TTV se especifica a menudo en el rango de ≤ 5 µm para obleas de primera calidad.
• Perfil del borde y zona de exclusión: Los bordes de las obleas con forma precisa minimizan el astillado y la generación de partículas. La zona de exclusión de los bordes (normalmente de 1 a 3 mm), donde no se fabrican dispositivos, también debe estar bien definida.
• Planos de orientación/muescas: Son fundamentales para la manipulación automatizada de obleas y la alineación de la orientación cristalográfica para un rendimiento constante del dispositivo. Las tolerancias en sus dimensiones y ángulos son estrictas.

Acabado y calidad de la superficie:

• Rugosidad superficial (Ra, Rq, Rz): Una superficie suave a nivel atómico es esencial para un crecimiento epitaxial de alta calidad. La rugosidad superficial típica (Ra) para las obleas de SiC listas para epi está en el rango de los angstroms (por ejemplo, < 0,5 nm o incluso < 0,2 nm). Esto se consigue mediante un pulido químico-mecánico (CMP) meticuloso.
• Daño Subsuperficial: Los procesos de rectificado, lapeado y pulido pueden introducir daños en la subsuperficie. Esta capa dañada debe eliminarse por completo mediante CMP para garantizar unas propiedades eléctricas óptimas de las capas epitaxiales cultivadas en la parte superior.
• Arañazos, picaduras y manchas: La superficie debe estar libre de defectos visuales como arañazos, picaduras y manchas, que pueden interferir en la fabricación del dispositivo y actuar como sitios de nucleación para otros defectos. Se utilizan sistemas de inspección automatizados para clasificar y contar estos defectos.
• Contaminación por partículas: Se emplean estrictos protocolos de sala blanca y técnicas de limpieza avanzadas para minimizar la contaminación por partículas en la superficie de la oblea. Las especificaciones de las partículas suelen definirse por tamaño y recuento por unidad de superficie.

Calidad de la oblea (integridad del material):

• Cristalización y uniformidad del politipo: Es fundamental garantizar un politipo constante (por ejemplo, 4H-SiC) en toda la oblea y minimizar la presencia de otros politipos o granos desorientados. Se utiliza la difracción de rayos X (XRD) para la verificación.
• La personalización permite un control más estricto sobre la selección de materias primas y los procesos de crecimiento de cristales para lograr niveles de pureza ultra altos, minimizando los dopantes o contaminantes no deseados que pueden actuar como centros de recombinación o crear trampas de nivel profundo, mejorando así la vida útil de los portadores y reduciendo las corrientes de fuga.
  • Densidad de microporos (MPD): Como se ha mencionado, esto debe ser lo más cercano a cero posible (por ejemplo, < 0,1 cm^-2 para obleas comerciales de alta calidad).
  • Densidad de dislocación del plano basal (BPD): Los valores objetivo son típicamente < 500 cm^-2 o inferior, dependiendo de la aplicación.
  • Dislocaciones de tornillo de roscado (TSD) y dislocaciones de borde de roscado (TED): Estos también impactan en el rendimiento del dispositivo y se controlan cuidadosamente.
• Uniformidad de la resistividad: Para sustratos conductores o semiaislantes, la resistividad debe ser uniforme en toda la oblea para garantizar un comportamiento constante del dispositivo. Esto se verifica mediante técnicas como el mapeo de corrientes de Foucault o las mediciones de capacitancia-tensión (C-V) para HPSI SiC.

El logro de estas estrictas especificaciones requiere procesos de fabricación sofisticados, herramientas de metrología avanzadas y rigurosos sistemas de control de calidad. Para los compradores técnicos y los responsables de compras, es esencial definir claramente estos parámetros al pedir Láminas de SiC o componentes personalizados. La asociación con un proveedor que demuestre una gran capacidad en mecanizado de precisión, pulido y caracterización de defectos es primordial para la fabricación exitosa de dispositivos microelectrónicos de SiC. Más información sobre nuestro servicio de personalización para lograr las especificaciones precisas que exige su aplicación.

Post-procesamiento esencial para dispositivos microelectrónicos SiC

Una vez que las estructuras básicas de los dispositivos de carburo de silicio (como los MOSFET o los diodos) se fabrican en la oblea, es necesario realizar varios pasos críticos de postprocesamiento para transformar estas estructuras en dispositivos funcionales, fiables y empaquetables. Estos pasos se adaptan a los requisitos específicos del SiC y a la aplicación prevista, a menudo exigiendo técnicas y equipos especializados.

• Procesamiento de la parte trasera:
  • Rectificado/adelgazamiento de la parte trasera: Las obleas suelen adelgazarse desde su espesor inicial (por ejemplo, 350-500 µm) hasta 100-200 µm o incluso menos para los dispositivos de potencia. Esto reduce la resistencia térmica y la resistencia en estado de conducción (V_F o R_DS(on)). El rectificado de precisión es esencial para mantener la integridad y la planitud de la oblea.
  • Metalización posterior: Después del adelgazamiento, se deposita una pila de metal en la parte trasera de la oblea para formar el contacto de drenaje (para los MOSFET verticales) o el contacto de cátodo (para los diodos). Los esquemas de metalización comunes incluyen Ti/Ni/Ag o Ti/Ni/Au, elegidos por su buen contacto óhmico, soldabilidad y conductividad térmica. A menudo, el sinterizado o el recocido siguen para mejorar la adhesión y la resistencia de contacto.
• Troquelado/singulación de obleas: Los troqueles individuales se separan de la oblea. Debido a la dureza y fragilidad del SiC, este es un paso difícil.
  • Troquelado con cuchilla: Las cuchillas impregnadas de diamante se utilizan comúnmente, pero pueden causar astillado o microfisuras. La optimización del tipo de cuchilla, la velocidad del husillo y el fluido de corte es fundamental.
  • Troquelado/ablación por láser: El troquelado por láser ofrece un método sin contacto que puede reducir la tensión mecánica y el astillado. El troquelado sigiloso (modificación interna de la oblea seguida de rotura) o el corte por ablación son opciones.
  • Troquelado por plasma: Un proceso de grabado en seco que puede proporcionar un troquelado sin astillas, especialmente para obleas finas o formas de troquel complejas.
• Unión del chip: Los troqueles de SiC singulados se fijan a un bastidor de plomo, un sustrato (por ejemplo, cobre unido directamente - DBC, o sustrato de metal activo soldado - AMB para módulos) o una base de paquete.
  • Sinterización: El sinterizado de plata (Ag) es cada vez más popular para el SiC debido a su alta conductividad térmica, alto punto de fusión y fiabilidad en el ciclo térmico. Esto es crucial para gestionar el alto flujo de calor de los dispositivos de SiC.
  • Soldadura: Se pueden utilizar soldaduras tradicionales (por ejemplo, aleaciones AuSn, SAC), pero sus puntos de fusión más bajos y su resistencia a la fatiga en comparación con la plata sinterizada podrían limitar el rendimiento en aplicaciones de alta temperatura.
  • Fijación de troqueles con epoxi: Los epoxis conductores pueden utilizarse para aplicaciones de baja potencia o cuando se necesita aislamiento eléctrico de la parte trasera.
• Conexión por hilo/interconexiones: Las conexiones eléctricas se realizan desde las almohadillas de la parte superior del troquel de SiC (fuente y puerta para los MOSFET, ánodo para los diodos) a los cables del paquete o al sustrato.
  • Conexión por hilo de aluminio (Al): Los hilos gruesos de Al (100-500 µm) son comunes para los dispositivos de potencia debido a su alta capacidad de transporte de corriente. Normalmente se utiliza la conexión por cuña ultrasónica.
  • Conexión por hilo de cobre (Cu): Ofrece una mejor conductividad eléctrica y térmica y una mayor fiabilidad, pero es más difícil de procesar.
  • Conexión por cinta: Las cintas de Al o Cu pueden ofrecer una menor inductancia de bucle y una mayor capacidad de corriente que los hilos redondos.
  • Bumpers de flip-chip o soldadura: Para el empaquetado avanzado, especialmente para dispositivos de RF o módulos de alta densidad, la conexión flip-chip puede reducir los parásitos.
• Pasivación y encapsulado:
  • Pasivación superficial: Se pueden aplicar capas dieléctricas adicionales (por ejemplo, poliimida, nitruro de silicio) sobre la superficie del dispositivo (excluyendo las almohadillas de unión) para una mayor protección contra la humedad, los contaminantes y los arcos eléctricos, especialmente para dispositivos de alta tensión.
  • Encapsulado/moldeo: El dispositivo ensamblado se encapsula en un compuesto de moldeo (por ejemplo, a base de epoxi) para proporcionar protección mecánica, sellado ambiental y aislamiento eléctrico. El moldeo por transferencia es común para los paquetes discretos, mientras que los rellenos de gel o el encapsulado pueden utilizarse para los módulos. La elección del encapsulante debe tener en cuenta las altas temperaturas de funcionamiento del SiC.
• Pruebas y quemado: Se realizan pruebas eléctricas finales para garantizar que los dispositivos cumplen las especificaciones. Se pueden realizar pruebas de envejecimiento o de polarización inversa a alta temperatura (HTRB) para detectar fallos tempranos y garantizar la fiabilidad a largo plazo de dispositivos microelectrónicos de SiC.

Cada uno de estos pasos de postprocesamiento debe optimizarse cuidadosamente para los materiales de SiC con el fin de mantener sus ventajas inherentes y garantizar la calidad y fiabilidad del producto final. Esta manipulación especializada pone de manifiesto la necesidad de experiencia en fabricación avanzada de cerámica w