در سال های اخیر، وسایل نقلیه الکتریکی، لوکوموتیوهای الکتریکی، روشنایی نیمه هادی، هوافضا، ارتباطات ماهواره ای و سایر زمینه ها وارد مرحله توسعه سریع شده اند. دستگاه های الکترونیکی مورد استفاده در این زمینه ها تحت شرایط جریان بالا، دمای بالا و فرکانس بالا کار می کنند. برای اطمینان از پایداری عملکرد دستگاه و مدار، تقاضاهای بالاتری بر روی حامل های تراشه گذاشته می شود. زیرلایه های سرامیکی عملکرد حرارتی عالی، خواص مایکروویو، خواص مکانیکی و قابلیت اطمینان بالا را ارائه می دهند که باعث می شود به طور گسترده در این مناطق قابل استفاده باشند.
بر اساس مواد زیرلایه سرامیکی، انواع اصلی در حال حاضر شامل بسترهای سرامیکی آلومینا، بسترهای سرامیکی نیترید آلومینیوم، بسترهای سرامیکی نیترید سیلیکون، بسترهای سرامیکی کاربید سیلیکون، بسترهای سرامیکی اکسید بریلیم و بسترهای سرامیکی نیترید بور می باشد.
1. آلومینا
سرامیک های آلومینا دارای سختی بالایی هستند و سختی راکول HRA 80-90 است که بعد از الماس دوم است. مقاومت سایشی آنها 266 برابر فولاد منگنز و 171.5 برابر چدن با کروم بالا است، که عمر مفید تجهیزات را در شرایط کاری یکسان حداقل ده برابر افزایش می دهد. علاوه بر این، بسترهای سرامیکی آلومینا رسانایی حرارتی بالا، مقاومت و پایداری حرارتی خوب و ثابت دی الکتریک پایین را ارائه می دهند. در نتیجه، آنها به مواد ترجیحی برای دستگاه‌ها و سیستم‌های میکروالکترونیک نسل بعدی تبدیل شده‌اند و به‌طور گسترده در هوافضا، ارتباطات 5G، نیمه‌هادی‌های پرقدرت، روشنایی LED پرقدرت، و زمینه‌های دیگر استفاده می‌شوند.
2. نیترید آلومینیوم
سرامیک‌های نیترید آلومینیوم در سال‌های اخیر به دلیل رسانایی حرارتی بالا (نزدیک به سیلیکون کاربید و اکسید بریلیم و 5 تا 10 برابر آلومینا)، ثابت دی الکتریک کم و تلفات دی الکتریک، عایق الکتریکی خوب، و ضریب انبساط حرارتی خوب و ضریب ضریب انبساط حرارتی آنها که همگی با آن منطبق است، در صنعت الکترونیک تبدیل شده‌اند. در مقایسه با سرامیک های اکسید بریلیوم، سرامیک های نیترید آلومینیوم غیر سمی هستند و هزینه تولید پایین تری دارند. بنابراین، سرامیک‌های نیترید آلومینیوم در حال حاضر بسترهای سرامیکی با کارایی بالا و مواد بسته‌بندی ایده‌آل هستند، با روندی قوی برای جایگزینی تدریجی سرامیک‌های سمی اکسید بریلیم و سرامیک‌های آلومینا با کارایی پایین. هدایت حرارتی نظری سرامیک های نیترید آلومینیوم می تواند به 320 W/m·K برسد. نیترید آلومینیوم با خلوص بالا بی رنگ و شفاف است، اما خواص آن به راحتی تحت تأثیر خلوص و چگالی شیمیایی قرار می گیرد. عیوب شبکه مانند ناخالصی ها می تواند باعث پراکندگی فونون شده و هدایت حرارتی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.
3. نیترید سیلیکون
نیترید سیلیکون، به عنوان یک ماده سرامیکی پیشرفته، خواص مکانیکی در دمای بالا، پایداری شیمیایی، رسانایی حرارتی و عایق الکتریکی بسیار عالی را نشان می‌دهد که آن را به یک ماده بستر الکترونیکی بسیار امیدوارکننده تبدیل می‌کند. زیرلایه‌های سرامیکی نیترید سیلیکون خواص مکانیکی فوق‌العاده‌ای در دمای بالا از جمله مقاومت در برابر خزش، مقاومت در برابر اکسیداسیون و مقاومت در برابر سایش را نشان می‌دهند. این باعث می شود آنها برای محیط های شدید مانند صنایع هوافضا، انرژی و پتروشیمی مناسب باشند. در الکترونیک و مدیریت حرارتی، زیرلایه‌های سرامیکی نیترید سیلیکون عایق الکتریکی عالی و هدایت حرارتی بالا را ارائه می‌دهند و نیازهای اتلاف گرما و بسته‌بندی دستگاه‌های پرقدرت و فرکانس بالا را برآورده می‌کنند. آنها به طور گسترده ای در ماژول های نیمه هادی قدرت، بسترهای مدار فرکانس بالا، سیستم های الکترونیکی با دمای بالا و دیگر سناریوهای مهم استفاده می شوند.
4. نیترید بور
سرامیک های نیترید بور دارای خواص بسیار عالی هستند. نیترید بور دارای رسانایی حرارتی فوق‌العاده بالایی است و ارزش نظری آن برای نانوصفحات نیترید بور شش ضلعی تا 1700-2000 W/(m·K) است. همچنین پایداری خوبی در دمای بالا و مقاومت در برابر اکسیداسیون نشان می دهد. نیترید بور در 3000 درجه تصعید می شود، می تواند تا 900 درجه در اتمسفر اکسید کننده، تا 2000 درجه در خلاء و تا 2800 درجه در جو بی اثر استفاده شود. در بسته بندی های نیمه هادی، بسترهای سرامیکی نیترید بور دارای رسانایی حرارتی سه برابر بیشتر از بسترهای آلومینا سنتی هستند که به طور موثری راندمان اتلاف حرارت تراشه را بهبود می بخشد.
5. سیلیکون کاربید
مواد SiC به طور عمده به انواع تک کریستالی و سرامیکی تقسیم می شوند. SiC تک کریستالی یک ماده نیمه هادی با شکاف باند وسیع نسل سوم با فاصله باند گسترده، قدرت میدان شکست بالا، مقاومت در برابر نور کم، تحرک الکترون اشباع بالا، هدایت حرارتی بالا و مقاومت در برابر تشعشع عالی است. این ویژگی ها آن را برای دستگاه های الکترونیکی که در محیط های سخت مانند دمای بالا یا ولتاژ بالا کار می کنند بسیار مناسب می کند. SiC پلی کریستالی (یعنی سرامیک های SiC) پایداری شیمیایی خوب، مقاومت در برابر دمای بالا، مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر خوردگی دارد و بسته به فرآیندهای شکل دهی و تف جوشی مورد استفاده می تواند ویژگی های متفاوتی از خود نشان دهد.
6. اکسید بریلیم
زیرلایه های سرامیکی اکسید بریلیوم دارای هدایت حرارتی بالا، نقطه ذوب بالا، استحکام بالا، عایق بالا، پایداری شیمیایی و حرارتی بالا، ثابت دی الکتریک پایین، تلفات دی الکتریک کم و سازگاری فرآیند خوب هستند. آنها به ویژه برای دستگاه های الکترونیکی پرقدرت با نیازهای اتلاف گرما بسیار سخت مناسب هستند. با این حال، BeO یک ماده سمی است. گرد و غبار تولید شده در حین ساخت و استفاده، خطرات جدی برای سلامت انسان و محیط زیست ایجاد می کند.