Keramiske printkort: Keramiske printkort af aluminiumoxid kontra aluminiumnitrid (AlN) til ekstreme temperaturer

Introduktion til keramiske substrater i højtydende elektronik

Inden for moderne elektronikteknik har bestræbelserne på at flytte grænserne for effekttæthed, miniaturisering og driftstemperaturer gjort traditionelle substratmaterialer som FR4 stadig mere forældede til anvendelser med høje belastninger. Ved udvikling af effektelektronik, LED’er med høj lysstyrke, RF-/mikrobølgesystemer og drivlinjemoduler til biler er den primære årsag til systemfejl typisk mangelfuld termisk styring. Hvis varmen ikke ledes hurtigt og effektivt væk fra aktive halvlederkrydsninger, kan den deraf følgende termiske løbskhed føre til katastrofale komponentfejl, udmattelse af loddeforbindelser og en reduceret gennemsnitlig tid mellem fejl (MTBF).

For at imødegå disse ekstreme termiske belastninger anvender ingeniører ofte keramiske printkort (PCB’er). I modsætning til organiske substrater tilbyder keramiske printkort en unik kombination af enestående varmeledningsevne, fremragende elektrisk isolering (høj dielektrisk styrke) og en lav termisk udvidelseskoefficient (CTE), der ligger tæt op ad den for rene halvlederchips (som silicium, siliciumkarbid og galliumnitrid). Blandt de forskellige tilgængelige keramiske materialer dominerer to i branchen: aluminiumoxid (Al₂O₃) og aluminiumnitrid (AlN).

Selvom begge materialer udgør væsentlige forbedringer i forhold til standard FR4- og metalkerne-printkort (MCPCB’er), henvender de sig til meget forskellige niveauer af ydeevne og budgetmæssige begrænsninger. Det er afgørende for enhver hardwareingeniør, der ønsker at optimere en elektronisk enhed med høj effekt, at forstå de termomekaniske egenskaber, produktionsmæssige nuancer og anvendelsesegnetheden ved aluminiumoxid sammenlignet med aluminiumnitrid. Denne omfattende guide gennemgår begge materialers egenskaber, sammenligner dem ud fra vigtige tekniske parametre og giver en trinvis vejledning til valg af det rigtige keramiske printkort til dine applikationer med ekstrem varmeudvikling.

Begrænsningerne ved traditionelle printkort og keramikens fremmarch

Inden vi går nærmere ind på detaljerne omkring aluminiumoxid og AlN, er det afgørende at forstå, hvorfor man overhovedet vælger keramiske substrater. Standard FR4 har en varmeledningsevne på ca. 0,25 til 0,35 W/m·K. Det fungerer som en fremragende varmeisolator, hvilket er præcis det modsatte af, hvad der kræves inden for effektelektronik. Varme, der genereres af overflademonterede komponenter, bliver fanget, hvilket får krydstemperaturerne til at skyde i vejret. Få mere at vide om Optimering af returvejen: Udformning af stabile referenceplaner til signalintegritet ved høje frekvenser.

PCB’er med metalkerne (MCPCB’er), der typisk anvender en bagside af aluminium eller kobber, forbedrer dette ved at tilbyde varmeledningsevner i området 1,0 til 7,0 W/m·K (afhængigt af det dielektriske lag). MCPCB'er har imidlertid en afgørende svaghed i forbindelse med højspændings- og ekstremt effektkrævende anvendelser: Den termiske flaskehals er det organiske dielektriske lag, der adskiller kobberkredsløbet fra metalkernen. Dette lag har begrænsede varmeoverføringsevner og er udsat for dielektrisk nedbrydning ved høje spændinger.

Keramiske printkort fjerner denne flaskehals fuldstændigt. I et keramisk printkort fungerer selve det keramiske materiale både som strukturelt underlag og som elektrisk isolator. Da keramik i sig selv er en fremragende elektrisk isolator, er der ikke behov for et mellemliggende organisk dielektrisk lag. De ledende kobber- eller sølvbaner er bundet direkte til det keramiske substrat. Denne direkte binding minimerer den termiske modstand, hvilket gør det muligt for varmen at strømme uhindret fra komponenten gennem substratet til kølepladen. Desuden har keramik en lav CTE (omkring 4,5 til 7,5 ppm/°C), hvilket drastisk reducerer den termomekaniske belastning på loddeforbindelserne under hurtige termiske cyklusser – en hyppig årsag til svigt i barske miljøer. Få mere at vide om Reduktion af krydstale: Avancerede routingsteknikker til minimering af NEXT og FEXT i højhastigheds-printkort.

Keramiske printkort af aluminiumoxid (Al₂O₃): Branchens arbejdshest

Aluminiumoxid (Al₂O₃) er det mest udbredte keramiske substratmateriale i elektronikindustrien og udgør langt størstedelen af produktionen af keramiske printplader. Det er et foretrukket materiale, fordi det tilbyder en fremragende balance mellem termiske egenskaber, mekanisk styrke og omkostningseffektivitet.

Aluminiumoxid fås typisk i renhedsgrader fra 96% til 99,6% og har en varmeledningsevne på ca. 18 til 36 W/m·K. Selvom dette måske virker beskedent sammenlignet med rene metaller, er det cirka 100 gange bedre end FR4 og langt overlegen i forhold til de fleste dielektriske lag i MCPCB'er.

Vigtige egenskaber ved PCB’er med aluminiumoxid:

• Varmeledningsevne: Med en varmeledningsevne på 24–36 W/m·K (for renhedsklassen 96%) kan aluminiumoxid effektivt håndtere moderate til høje varmebelastninger, hvilket gør det velegnet til en bred vifte af effektmoduler og LED-anvendelser.
• Mekanisk integritet: Aluminiumoxid er usædvanligt hårdt og stift. Det har en høj bøjningsstyrke, hvilket gør det holdbart under fremstillings- og samleprocesserne.
• Omkostningseffektivitet: Sammenlignet med avanceret keramik som AlN eller berylliumoxid (BeO) er aluminiumoxid relativt billigt at anskaffe og forarbejde. Råmaterialerne findes i rigelige mængder, og sintrings- og metalliseringsprocesserne er meget veludviklede og standardiserede på tværs af den globale forsyningskæde.
• Dielektriske egenskaber: Det udviser en fremragende dielektrisk styrke (typisk >15 kV/mm), hvilket muliggør højspændingsisolering i strømomformere og motorstyringer.
• Kemisk stabilitet: Aluminiumoxid er yderst modstandsdygtigt over for kemisk korrosion og nedbrydes ikke i barske, reaktive miljøer, hvilket sikrer langvarig pålidelighed inden for bilindustrien og i industrielle sammenhænge.

Almindelige anvendelsesområder for aluminiumoxid:

Alumina er det oplagte valg til standardkraftelektronik, sensorer til bilindustrien, Peltier-kølere (termoelektriske moduler), hybridkredsløb med tykfilm samt LED-belysningssystemer med høj lysstyrke til generelle formål. Det er den pragmatiske ingeniørs valg, når FR4 svigter, men de ekstremt høje omkostninger ved AlN kan ikke retfærdiggøres.

PCB’er af aluminiumnitrid (AlN)-keramik: Apex – den højtydende løsning

I anvendelser, hvor den termiske belastning når ekstreme niveauer – såsom i koncentreret solcelleteknologi, højtydende lasere og næste generations halvledermoduler med bred båndspalte (WBG) – er aluminiumoxids varmeledningsevne utilstrækkelig. Her kommer aluminiumnitrid (AlN) ind i billedet.

Aluminiumnitrid er et avanceret keramisk materiale, der er udviklet specielt til ekstrem varmestyring. Det har en imponerende varmeledningsevne på mellem 170 W/m·K og over 220 W/m·K. For at sætte dette i perspektiv er AlN’s varmeledningsevne næsten 7 til 10 gange højere end aluminiumsoksids, og den nærmer sig varmeledningsevnen for metallisk aluminium (som er ~210 W/m·K), men uden den elektriske ledningsevne.

Vigtige egenskaber ved AlN-printkort:

• Enestående varmeledningsevne: Med en varmeledningsevne på mellem 170 og 220 W/m·K er AlN det bedste valg til hurtigt at lede varme væk fra kompakte halvlederovergange med høj effekt. Det forhindrer lokale varmepunkter, der kan forkorte komponenternes levetid.
• Optimal tilpasning af CTE: AlN har en termisk udvidelseskoefficient på ca. 4,5 ppm/°C. Dette svarer perfekt til siliciums (Si) termiske udvidelseskoefficient og ligger tæt op ad siliciumkarbid (SiC) og galliumnitrid (GaN). Denne nøjagtige overensstemmelse minimerer uoverensstemmelsen i termisk udvidelse, hvilket drastisk reducerer forskydningsspændingen på de blottede chips og loddeforbindelser under ekstreme termiske cyklusser.
• Høj dielektrisk styrke: Ligesom aluminiumoxid er AlN en fremragende elektrisk isolator, der kan isolere høje spændinger (typisk >15 kV/mm), hvilket er afgørende for IGBT’er og MOSFET’er med høj effekt.
• Giftfrit alternativ: Historisk set blev berylliumoxid (BeO) anvendt til anvendelser med ekstreme temperaturer. BeO-støv er imidlertid yderst giftigt og udgør en alvorlig sundhedsrisiko under bearbejdning. AlN har en termisk ydeevne, der svarer til BeO, men er fuldstændig ugiftigt og miljøvenligt.
• Højere omkostninger og større kompleksitet: Den største ulempe ved AlN er prisen. Syntesen af råpulveret er kompliceret, og sintringsprocessen ved høje temperaturer (hvor der ofte skal bruges yttriumoxid som sintringshjælpemiddel) er energikrævende. Desuden kræver metallisering af AlN specialiserede teknikker, hvilket øger de samlede omkostninger ved fremstilling af printkort.

Almindelige anvendelsesområder for AlN:

AlN er specifikt udviklet til missionskritiske miljøer med ekstrem varme. Typiske anvendelsesområder omfatter højtydende IGBT-moduler (Insulated Gate Bipolar Transistor) til elbiler og jernbanetraktion, højtydende RF- og mikrobølgeforstærkere, militære og rumfartsrelaterede radarsystemer, deep-UV-LED’er samt monteringsbeslag til laserdioder. Få mere at vide om Flying Probe kontra ICT: Valg af den rette teststrategi for printkort til dit produktionsomfang.

Direkte teknisk sammenligning: Aluminiumoxid vs. AlN

For at lette en kvantitativ teknisk beslutning fremhæver tabellen nedenfor de sammenlignende materialegenskaber for standard 96%-aluminiumoxid og typiske aluminiumnitrid-substrater.

Sådan vælger og designer du keramiske printkort (trin-for-trin-vejledning)

Valget af det rette keramiske substrat og udformningen af printkortet kræver en systematisk tilgang, hvor de termiske krav skal afvejes i forhold til de mekaniske og økonomiske begrænsninger.

Metalliseringsteknologier til keramiske printkort

Ydeevnen for et keramisk printkort afhænger i høj grad af, hvordan det ledende kobberlag er bundet til det rå keramiske underlag. Det er afgørende for hardwareingeniører at forstå disse processer:

• Direkte bundet kobber (DBC): Kobberfolie limes fast på keramikken under høj varme og højt tryk i et iltkontrolleret miljø, hvorved der dannes en eutektisk smelte, der binder metallerne sammen. DBC er særdeles velegnet til tykt kobber (op til 30 oz) og høj strømføringskapacitet. DBC på AlN kan dog være udsat for pålidelighedsproblemer i forbindelse med termiske cyklusser, hvis det ikke forarbejdes omhyggeligt.
• Aktiv metalhårdlodning (AMB): I denne proces anvendes et aktivt metalfyldstof (som f.eks. titan eller zirkonium) til at binde kobberet kemisk til keramikken. AMB giver en betydeligt højere afskalningsstyrke og pålidelighed ved termiske cyklusser end DBC, især for aluminiumnitrid (AlN)-substrater, der anvendes i ekstreme traktionsomformere til elbiler (EV).
• Direkte belagt kobber (DPC): I denne proces anvendes en vakuumsputteringsteknik (PVD) til at påføre et tyndt titaniumslag, hvorefter der udføres galvanisering af kobber til den ønskede tykkelse. DPC giver meget nøjagtige, ekstremt flade spor med tæt afstand, hvilket gør det ideelt til RF-/mikrobølgeanvendelser og LED-arrays med høj tæthed.
• Tykfilmteknologi: Ledende pastaer (sølv eller guld) påføres keramikken ved hjælp af serigrafi og brændes i en højtemperaturovn. Dette er en veludviklet og omkostningseffektiv proces, men den er generelt begrænset til anvendelser med lavere strømstyrke sammenlignet med DBC eller AMB.

Ofte stillede spørgsmål (FAQ)