Substrati di zaffiro, rubino e allumina, come scegliere

Nessun substrato a base di ossidi nella moderna scienza dei materiali ha influenzato la tecnologia più dello zaffiro, del rubino e dell'allumina. A prima vista, appartengono tutti alla stessa famiglia: l'ossido di alluminio (Al₂O₃). Tuttavia, le loro strutture, i costi, le proprietà ottiche e l'uso funzionale li rendono adatti ad applicazioni estremamente diverse.

Perché lo zaffiro regna sovrano nella produzione di LED

Lozaffiro è la forma monocristallina dell'ossido di alluminio. Puro, è incolore e trasparente, con un'eccellente durezza (Mohs 9) e inerzia chimica. Queste caratteristiche rendono lo zaffiro un substrato ideale per i diodi a emissione luminosa (LED).

1. Struttura cristallina per l'epitassia

Il processo di produzione dei LED prevede la deposizione di film di nitruro di gallio (GaN) per epitassia. L'epitassia funziona solo se il substrato è in grado di ospitare una forma cristallina simile o almeno paragonabile a quella che viene depositata. Un reticolo monocristallino di zaffiro funge da modello per creare film di GaN di elevata purezza e con minori difetti.

2. Trasparenza ottica

I LED devono emettere luce in modo efficiente. Lo zaffiro è trasparente in un'ampia gamma di lunghezze d'onda, dall'ultravioletto all'infrarosso, con un assorbimento minimo di fotoni. Ciò si traduce direttamente in una maggiore luminosità ed efficienza.

3. Stabilità alle alte temperature

La crescita epitassiale avviene a temperature elevate, superiori ai 1000°C. La stabilità e la forma dello zaffiro non si perdono quando si raggiungono tali temperature, il che lo rende inestimabile nella produzione di LED.

Oltre che per i LED, i substrati di zaffiro sono utilizzati anche per le finestre dei laser, i componenti ottici e le coperture che proteggono l'elettronica di consumo. Il loro prezzo relativamente elevato, tuttavia, ne limita l'applicazione in settori in cui potrebbero funzionare sostituti più economici.

Perché la ceramica di allumina è la scelta ideale per i circuiti elettronici

Mentre lo zaffiro è monocristallino, i substrati di allumina sono ceramiche policristalline. Creati attraverso la sinterizzazione di polveri di Al₂O₃, i substrati di allumina non hanno il reticolo ordinato che possiede lo zaffiro, ma lo compensano con un basso costo, un'eccellente resistenza meccanica e processi produttivi altamente sviluppati.

1. Basso costo per la produzione su larga scala

I substrati di allumina costano molto meno rispetto allo zaffiro monocristallo. Questo li rende pratici per le applicazioni su grandi superfici, come le schede dei circuiti elettronici.

2. Isolamento elettrico

Tra i vantaggi dell'allumina c'è quello di essere un isolante elettrico. Questo è un requisito dei substrati dei circuiti, che devono mantenere separati i percorsi elettrici per evitare cortocircuiti e interferenze.

3. Conduttività termica

I dispositivi elettronici più moderni, in particolare i moduli di potenza, generano una quantità significativa di calore. I substrati di allumina dissipano efficacemente il calore dai dispositivi attivi, riducendo al minimo la possibilità di surriscaldamento. Sebbene materiali come il nitruro di alluminio (AlN) abbiano una conducibilità termica ancora migliore, l'allumina offre il miglior compromesso tra prestazioni ed economia.

4. Lavorazione matura

Le ceramiche di allumina sono facili da tagliare, forare e stampare con strati conduttivi, consentendo la produzione di massa di circuiti a film spesso, dispositivi a microonde ed elettronica di potenza.

Ecco perché l'allumina è diventata il substrato ideale per circuiti elettronici, moduli di potenza e diffusori di calore in settori che vanno dall'elettronica di consumo ai sistemi automobilistici.

Perché il rubino rimane una pietra miliare della tecnologia laser a stato solido

Il rubino è fondamentalmente zaffiro con una differenza: è una forma monocristallina di Al₂O₃ drogata con tracce di ioni di cromo (Cr³⁺). Gli ioni non solo conferiscono al rubino il suo colore rosso, ma lo rendono anche otticamente attivo in un modo unico.

1. Attività ottica dovuta al drogaggio di cromo

Gli ioni Cr³⁺ nel rubino assorbono energia e la emettono come luce a una specifica lunghezza d'onda. Sottoposto a pompaggio ottico, questo serve a produrre un fascio laser rosso intenso e coerente di lunghezza d'onda 694 nm.

2. Forti proprietà meccaniche e chimiche

Il rubino condivide la durezza meccanica e la stabilità chimica dello zaffiro, per cui è in grado di sopportare gli ambienti difficili richiesti dal funzionamento dei laser.

3. Applicazione specializzata

Le proprietà ottiche del rubino lo rendono estremamente utile nei laser a stato solido, che sono stati i primi laser di successo mai realizzati. Ma lo stesso drogaggio del cromo che rende il rubino utile nei laser lo rende inutile per i LED, che richiedono trasparenza, e per i circuiti elettronici, dove il costo e la facilità di fabbricazione in grandi quantità sono più importanti dell'attività ottica.

Il ruolo del rubino è quindi molto specializzato: brilla nella tecnologia laser, nel rilevamento ottico e negli strumenti di precisione, ma non nella produzione di semiconduttori o nell'elettronica di massa.

Come scegliere

Lo zaffiro ha la padronanza della tecnologia LED, dove la struttura cristallina e la trasparenza sono di fondamentale importanza. L'allumina ha la padronanza dei circuiti elettronici e dei moduli di potenza, dove l'isolamento e il costo sono fondamentali. Il rubino, la cui attività ottica è stimolata dal cromo, è particolarmente adatto ai laser e ai dispositivi ottici scientifici.

La scelta dipende principalmente dalla chiarezza, dall'isolamento o dalle prestazioni del laser. Per ulteriori substrati di allumina, consultare Stanford Advanced Materials (SAM). Se non siete ancora sicuri, inviateci i dettagli del vostro progetto e vi consiglieremo la soluzione giusta.