Sustratos de zafiro, rubí y alúmina: cómo elegirlos

Ningún sustrato a base de óxido de la moderna ciencia de materiales ha influido tanto en la tecnología como el zafiro, el rubí y la alúmina. A primera vista, todos pertenecen a la misma familia: el óxido de aluminio (Al₂O₃). Sin embargo, sus estructuras, costes, propiedades ópticas y usos funcionales los hacen idóneos para aplicaciones muy distintas.

Por qué el zafiro reina en la fabricación de leds

El zafiro es la forma monocristalina del óxido de aluminio. Puro, es incoloro y transparente, con una excelente dureza (Mohs 9) e inercia química. Todo ello hace del zafiro un sustrato ideal para los diodos emisores de luz (LED).

1. Estructura cristalina para la epitaxia

El proceso de fabricación de LED implica la deposición de películas de nitruro de galio (GaN) mediante epitaxia. La epitaxia sólo funciona si el sustrato es capaz de albergar una forma cristalina similar o al menos comparable a la que se deposita. Una red de zafiro monocristalina actúa como esta plantilla para crear películas de GaN de gran pureza y con menos defectos.

2. Transparencia óptica

Los LED deben emitir luz de forma eficiente. El zafiro es transparente en una amplia gama de longitudes de onda, desde el ultravioleta hasta el infrarrojo, con una absorción mínima de fotones. Esto se traduce directamente en una mayor luminosidad y eficiencia.

3. Estabilidad a altas temperaturas

El crecimiento epitaxial se produce a altas temperaturas, superiores a 1.000 °C. La estabilidad y la forma del zafiro no se pierden cuando se alcanzan tales temperaturas, lo que lo hace inestimable en la fabricación de LED.

Aparte de los LED, los sustratos de zafiro también se emplean para ventanas láser, componentes ópticos y cubiertas que protegen aparatos electrónicos de consumo. Su precio relativamente alto, sin embargo, limita su aplicación en áreas en las que podrían funcionar sustitutos más baratos.

Por qué la cerámica de alúmina es la mejor opción para los circuitos electrónicos

Mientras que el zafiro es monocristalino, los sustratos de alúmina son cerámicas policristalinas. Creados mediante la sinterización de polvos de Al₂O₃, los sustratos de alúmina carecen del entramado ordenado que posee el zafiro, pero lo compensan con un bajo coste, una excelente resistencia mecánica y unos procesos de producción muy desarrollados.

1. Bajo coste para la producción a gran escala

Los sustratos de alúmina cuestan mucho menos de fabricar que el zafiro monocristalino. Esto los hace prácticos para aplicaciones de gran superficie, como las placas de circuitos electrónicos.

2. Aislamiento eléctrico

Una de las ventajas de la alúmina es que puede ser un aislante eléctrico. Se trata de un requisito en los sustratos de circuitos, ya que deben mantener separadas las vías eléctricas para evitar cortocircuitos e interferencias.

3. Conductividad térmica

Los dispositivos electrónicos más modernos, especialmente los módulos de potencia, generan una cantidad significativa de calor. Los sustratos de alúmina disipan eficazmente el calor de los dispositivos activos, minimizando la posibilidad de sobrecalentamiento. Aunque materiales como el nitruro de aluminio (AlN) poseen una conductividad térmica aún mejor, la alúmina ofrece el mejor compromiso entre rendimiento y economía.

4. Procesado maduro

Las cerámicas de alúmina son fáciles de cortar, perforar e imprimir con capas conductoras, lo que permite la producción en masa de circuitos de película gruesa, dispositivos de microondas y electrónica de potencia.

Por este motivo, la alúmina se ha convertido en el sustrato de referencia para circuitos electrónicos, módulos de potencia y disipadores de calor en sectores que van desde la electrónica de consumo a los sistemas de automoción.

Por qué el rubí sigue siendo la piedra angular de la tecnología láser de estado sólido

El rubí es básicamente zafiro con una diferencia: es una forma monocristalina de Al₂O₃ dopado con trazas de iones de cromo (Cr³⁺). Los iones no sólo dan al rubí su color rojo, sino que también lo hacen ópticamente activo de una manera única.

1. Actividad óptica debida al dopaje de cromo

Los iones Cr³⁺ del rubí absorben energía y la emiten en forma de luz a una longitud de onda específica. Al someterse a bombeo óptico, esto sirve para producir un haz láser rojo intenso y coherente de longitud de onda 694 nm.

2. Fuertes propiedades mecánicas y químicas

El rubí comparte la dureza mecánica y la estabilidad química del zafiro, por lo que es capaz de soportar los duros entornos necesarios para el funcionamiento de los láseres.

3. Aplicación especializada

Las propiedades ópticas del rubí lo hacen extremadamente útil en los láseres de estado sólido, que fueron los primeros láseres de éxito que se fabricaron. Pero el mismo dopaje con cromo que hace que el rubí sea útil en los láseres lo hace inútil para los LED, que requieren transparencia, y para los circuitos electrónicos, donde el coste y la facilidad de fabricación en grandes cantidades son más importantes que la actividad óptica.

Así pues, el papel del rubí es muy especializado: brilla en la tecnología láser, la detección óptica y los instrumentos de precisión, pero no en la fabricación de semiconductores ni en la electrónica de gran consumo.

Cómo elegir

El zafiro domina la tecnología LED, donde la estructura cristalina y la transparencia tienen una importancia clave. La alúmina domina los circuitos electrónicos y los módulos de potencia, donde el aislamiento y el coste son primordiales. El rubí, cuya actividad óptica está estimulada por el cromo, se adapta especialmente bien a los láseres y dispositivos ópticos científicos.

La elección depende principalmente de si su proyecto valora la claridad, el aislamiento o el rendimiento del láser. Para más sustratos de alúmina, consulte Stanford Advanced Materials (SAM). Si aún no está seguro, envíenos los detalles de su proyecto y le ayudaremos a recomendarle la solución adecuada.