El coeficiente de expansión térmica (CTE) del carburo de silicio

El carburo de silicio (SiC) es un material cerámico extremadamente duro muy utilizado como abrasivo y para la producción de componentes electrónicos de potencia de alto rendimiento. Además, la resistencia del SiC a temperaturas extremas lo hace adecuado para entornos industriales.

Sin embargo, cuando el SiC se utiliza en dispositivos electrónicos con otros materiales, puede sufrir tensiones mecánicas debido a la falta de correspondencia entre su CET y el del material de unión. Igualar sus CET puede ayudar a aliviar dicha tensión.

Coeficiente de dilatación térmica (CTE)

El coeficiente de expansión térmica (CET) es un parámetro importante que mide cómo se expande o contrae un material cuando se expone a cambios de temperatura, y desempeña un papel esencial tanto en el diseño como en la construcción de artefactos sólidos con distintos materiales. No tener en cuenta con precisión el coeficiente de expansión térmica puede provocar tensiones mecánicas que comprometan la integridad estructural de las estructuras.

El carburo de silicio cte presenta un bajo coeficiente de expansión térmica (CTE), lo que lo hace ideal para aplicaciones electrónicas de alta temperatura en la industria electrónica. Debido a su menor CTE que los metales, el carburo de silicio puede funcionar a niveles de potencia más elevados sin dejar de ser de estado sólido, un atributo cada vez más esencial dado el aumento de los niveles de potencia en los circuitos integrados (CI). Con el tiempo, se añadirán más niveles de potencia. Las propiedades térmicas como el CET serán aún más esenciales.

El carburo de silicio (SiC) es un material de fabricación industrial compuesto por dos politípos. La forma alfa (a-SiC), con su estructura cristalina cúbica de blenda de zinc parecida a la wurtzita y formada a temperaturas superiores a 1700 grados C, y la forma beta (b-SiC), con estructura hexagonal parecida a la wurtzita y procesos de formación a temperaturas inferiores a 1700 grados C, respectivamente, se confunden a menudo. Ambas formas presentan tonalidades negras a marrones debido a las impurezas de hierro en su composición - mientras que ambas formas encuentran uso en aplicaciones de revestimiento duro en la industria mientras que las aplicaciones electrónicas como los diodos emisores de luz utilizados por los primeros receptores de radio o detectores para los primeros receptores de radio que utilizan detectores de tecnología de radio temprana en aplicaciones que utilizan detectores de carburo de silicio hechos con SiC que se forman por encima de 1700 degC temperaturas cuando se forman también.

Tanto el a-SiC como el b-SiC pueden doparse con nitrógeno, fósforo, berilio, aluminio o boro para mejorar su conductividad eléctrica, y el dopaje fuerte con boro y galio produce material de SiC de tipo p. Aunque la moissanita natural puede existir en meteoritos o depósitos de corindón en cantidades muy limitadas, la mayor parte del carburo de silicio comercializado es sintético.

El coeficiente de expansión térmica (CTE) del carburo de silicio puede variar en función de su definición y del método de medición; si se considera una temperatura precisa (coeficiente verdadero de expansión térmica, o a-bar), o sobre un rango de temperaturas (coeficiente medio de expansión térmica, o a-m). Además, la dirección cristalográfica afecta a su valor; para mediciones más precisas del CTE utilizamos la correlación de imagen digital (DIC), midiendo el desplazamiento en el plano a partir de las fluctuaciones de temperatura mediante técnicas de correlación de imagen digital en una estructura de prueba de desplazamiento en el plano como parte de esta técnica.

Medición CTE

El CET mide la tendencia de las moléculas de un material a moverse más o menos juntas cuando cambia la temperatura, debido a las fuerzas de atracción y repulsión entre los átomos de la red cristalina que se atraen o repelen entre sí. La dilatación térmica contribuye a este movimiento a medida que cambia la temperatura, por lo que medir el CET real o el CET medio puede dar una buena indicación.

El carburo de silicio en estado puro es un aislante eléctrico; sin embargo, con la adición controlada de impurezas se transforma en un material semiconductor. El dopaje del carburo de silicio con aluminio, boro, galio o nitrógeno crea semiconductores de tipo P y de tipo N, respectivamente; el dopaje también permite que el carburo de silicio funcione a temperaturas, tensiones y frecuencias más altas que la mayoría de los demás semiconductores para aplicaciones de alta temperatura.

Al aumentar o disminuir la temperatura, todos los materiales se dilatan o contraen ligeramente; el grado de dilatación o contracción se conoce como Coeficiente de Expansión Térmica (CTE). El grado de dilatación o contracción se conoce como coeficiente de expansión térmica (CTE), que nos da una medida de cuánto se dilatan o contraen los materiales con los cambios de temperatura.

El CET es un parámetro complejo y debe medirse mediante diferentes técnicas. Los materiales a granel pueden medirse mediante dilatometría basada en varillas o difracción de rayos X; sin embargo, estos métodos son insuficientes para medir películas finas o materiales especiales; en su lugar, el PMIC emplea en estos casos métodos de interferometría de Michelson y dilatometría de cuarzo.

La técnica de medición del CTE de PMIC nos permite controlar la deformación en placas de circuito impreso tanto pobladas como despobladas, y determinar su efecto en la flexión de la placa causada por el montaje de los circuitos. Al combinar los resultados de esta prueba con los datos de las bandas extensométricas, nuestros clientes obtienen una visión en profundidad del rendimiento de sus circuitos en sus aplicaciones finales.

Cálculo del CTE

El coeficiente de dilatación térmica (CTE) siempre debe tenerse en cuenta a la hora de diseñar estructuras o productos, ya sea a escala arquitectónica, como rascacielos o puentes de gran tamaño, o a escala de ingeniería, como los microchips integrados que impulsan la tecnología moderna. Saber cómo responde cada material a los cambios de temperatura es especialmente esencial si mantener unas dimensiones precisas es clave para el funcionamiento de estructuras como las aplicaciones de ingeniería de alta tecnología.

El cálculo del CET es un componente integral del diseño de ingeniería, ya que su influencia en los diseños de estructuras o productos depende de sus propiedades específicas y su forma. Además, entender cómo interactúan los distintos materiales puede aportar información valiosa sobre los procesos de unión, y aquí es donde el CET resulta especialmente esencial, ya que una expansión desigual puede provocar tensiones mecánicas o incluso daños permanentes.

Una de las variables clave a la hora de calcular el CET es la longitud original del material. Esto se debe a que su cambio durante la variación de temperatura se corresponde directamente con la longitud inicial; por lo tanto, una mayor longitud inicial provocará un mayor cambio de longitud debido al cambio de temperatura.

Para calcular el CET hay que tener en cuenta varias variables clave, como la rapidez o lentitud con que un material se dilata o contrae con la temperatura. Los materiales con índices de expansión más rápidos suelen tener valores de CET más altos, lo que puede ayudar a determinar qué material se adapta mejor a una aplicación determinada.

El carburo de silicio tiene un coeficiente de dilatación térmica (CTE) extremadamente bajo, lo que lo convierte en un material ideal para espejos de telescopio. Además, su resistencia, dureza y resistencia química lo hacen idóneo para reflejar la luz sobre objetos en el espacio. Además, el carburo de silicio puede soportar choques térmicos calentándose o enfriándose rápidamente sin experimentar ondas de choque térmico; su combinación de conductividad térmica, bajo valor del índice CTE y fuerza que confiere resistencia a la corrosión añaden más ventajas a este material.

Correspondencia CTE

Uno de los mayores retos asociados al montaje de placas de circuito impreso es la coincidencia de los CET de los distintos materiales utilizados. Si los CET no coinciden a la perfección, pueden producirse tensiones mecánicas que debiliten o incluso rompan las uniones entre los componentes; este problema se hace especialmente evidente en los dispositivos de potencia que se someten a ciclos térmicos repetidos.

Para reducir las tensiones asociadas con los componentes de montaje y los adhesivos, la forma ideal de minimizar estas tensiones es hacer coincidir estrechamente sus CET y utilizar adhesivos con CET similares. De este modo se garantiza que los componentes se monten en sustratos con CET similares y se evita la distorsión debida a grandes cambios de temperatura.

El carburo de silicio (SiC) es un compuesto químico extremadamente duro formado por silicio y carbono unidos en forma de polvo y cristal. Aunque el SiC puede aparecer de forma natural como el mineral moissanita, lo más habitual es que se produzca comercialmente como polvo para herramientas de corte o abrasivos. El SiC también funciona como semiconductor, lo que significa que conduce la electricidad mejor que la mayoría de los metales, por lo que es perfecto para producir diodos láser u otros dispositivos electrónicos.

Cuando se trabaja con silicio, es fundamental conocer a fondo sus propiedades térmicas, especialmente su coeficiente de expansión térmica (CTE). Los gradientes de temperatura pueden crear tensiones mecánicas y térmicas en el material que, si no se tienen en cuenta, pueden provocar daños permanentes.

Una forma de aliviar las tensiones asociadas a los dispositivos de silicio y los materiales de unión es garantizar que sus coeficientes de expansión térmica (CET) coincidan, lo que puede hacerse calentándolos y enfriándolos gradualmente a velocidades más lentas que las de su sustrato.

La tensión se distribuirá más uniformemente por la superficie del silicio, lo que ayudará a reducir el riesgo de defectos o fallos debidos a una distribución desigual de la tensión. El CET de los subconjuntos montados sobre el silicio es otra consideración crítica; en términos generales, es mejor optar por subconjuntos que tengan valores de CET cercanos a los del silicio, ya que esto disminuirá las pérdidas por calentamiento Joule a lo largo de las trazas eléctricas.