I den hurtige udvikling inden for effektelektronik, højfrekvent kommunikation og halvlederteknologi i dag har den stigende effekttæthed og integrationsniveauet for elektroniske komponenter gjort termisk styring a core factor determining product performance, reliability, and lifespan. Traditional organic PCB substrates (like FR-4), with their low thermal conductivity (typically <0.5 W/m·K), struggle to meet the heat dissipation demands of high-power scenarios. In this context, keramiske substrater med høj varmeledningsevne har vist sig at være en ideel løsning til avanceret elektronisk køling takket være deres enestående generelle egenskaber.
Ceramic substrates are not a single material but a category of circuit substrates using inorganic non-metallic materials like alumina (Al₂O₃), aluminum nitride (AlN), and silicon nitride (Si₃N₄) as the insulating layer. Their advantages over traditional substrates are fundamental:
- Fremragende termiske egenskaber:
- Høj termisk ledningsevne: Wide range (24 ~ 200+ W/m·K), enabling rapid heat transfer from chips to heat sinks, significantly lowering junction temperature, and improving device efficiency and lifespan.
- Lav og tilpasset termisk ekspansionskoefficient (CTE): CTE for keramik ligger meget tæt på det for halvlederchips (som Si, SiC, GaN), hvilket i høj grad reducerer den belastning, der genereres under termisk cykling, og forhindrer revnedannelse i chippen og udmattelse af loddeforbindelser.
- Overlegne elektriske og mekaniske egenskaber:
- Høj isoleringsstyrke: Modstår højspændingsnedbrud og sikrer sikkerhed i højspændingsanvendelser.
- Høj mekanisk styrke: High flexural strength, compressive strength ≥500 MPa, structurally stable.
- God kemisk stabilitet: Modstandsdygtig over for korrosion og fugt, velegnet til barske miljøer.
- Avancerede kredsløbsfunktioner:
- Stærk kobberlagsbinding: Opnår fast binding mellem kobberlaget og keramikken (>20 N/mm) gennem specielle processer.
- Høj præcision i kredsløbene: Understøtter mikron-niveau kredsløb (minimumslinjebredde/afstand kan nå 0,05 mm), hvilket opfylder krav til høj integrationsdensitet.
2. Sammenligning af almindelige keramiske substratmaterialer
Forskellige keramiske materialer har deres eget fokus for at imødekomme forskellige anvendelsesbehov. Følgende er en sammenligning af de tre mest almindelige materialer:
| Karakteristik/Parameter | 96% Alumina (Al₂O₃) | Aluminiumnitrid (AlN) | Silicon Nitride (Si₃N₄) | Bemærkninger/Anvendelsestendens |
|---|
| Thermal Conductivity (W/m·K) | 24 – 30 | 170 – 220 | 80 – 90 | AlN is the preferred choice for ultra-high thermal conductivity; Si₃N₄ offers balanced performance. |
| CTE (×10⁻⁶/℃) | 6.5 – 8.0 | 4.5 – 5.5 | 2.5 – 3.5 | Si₃N₄ CTE passer bedst til Si-chips. |
| Mekanisk styrke | Høj | Relativt høj | Ekstremt høj (Fremragende bøjningsstyrke) | Si₃N₄ tilbyder den bedste modstandsdygtighed over for termisk chok, ideel til ekstreme temperaturudsving. |
| Omkostningsfaktor | Omkostningseffektivt med høj tæthed | Højere | Høj | Al₂O₃ er den mest udbredte, modne og økonomiske løsning. |
| Typiske anvendelser | Universelle strømmoduler, LED-belysning | Højtydende IGBT'er, laserdioder (LD), 5G RF-effektforstærkere | Motordrev til nye energikøretøjer, strømmoduler til ekstreme miljøer | Udvælgelse baseret på varmeafledningsbehov, pålidelighedskravog omkostningsbudget. |
3. Vigtige fremstillingsprocesser
Processen er afgørende for at opnå den perfekte binding mellem keramik og metal. De tre almindelige processer bestemmer substratets endelige ydeevne.
- DBC-proces (Direct Bonded Copper)
- Proces: Copper foil and ceramic surface undergo eutectic melting at high temperature (1065~1085°C) in an oxygen-containing nitrogen atmosphere, forming strong Cu-O chemical bonds.
- Karakteristika:
- Fordele: Thick copper layer (typically 100μm~600μm), high current-carrying capacity, excellent thermal conductivity.
- Udfordringer: Requires strict control of temperature and atmosphere; relatively lower circuit precision (line width/spacing typically >100μm).
- Anvendelser: Strømforsyningsmoduler med høj strømstyrke og høj varmeafledning (f.eks. omformere til elbiler).
- DPC-proces (Direct Plated Copper)
- Proces: Anvender halvlederprocesser: først sprøjtes et metalfrølag på det keramiske substrat, derefter dannes kredsløb gennem fotolitografi, galvanisering og ætsning.
- Karakteristika:
- Fordele: Meget høj kredsløbspræcision (kan nå mikronniveau), høj overfladeplanhed, velegnet til kompleks og fin ledningsføring.
- Udfordringer: Plated copper layer is relatively thin (typically 10μm~100μm), slightly weaker for very high currents, and higher cost.
- Anvendelser: Områder, der kræver høj præcision, såsom laseremballage, RF/mikrobølger, sensorer.
- AMB-proces (aktiv metallydning)
- Proces: En optimering baseret på DBC, hvor der anvendes loddemasse indeholdende aktive elementer (f.eks. Ti, Zr) til at binde kobber og keramik i vakuum eller inaktiv atmosfære.
- Karakteristika:
- Fordele: Bondstyrke langt overstiger DBC, højere pålidelighed, særligt velegnet til aluminiumnitrid (AlN) substrater. Fremragende modstandsdygtighed over for termisk træthed.
- Udfordringer: Mest kompleks proces, højeste omkostninger.
- Anvendelser: Områder, der kræver ekstremt høj pålidelighed, såsom rumfart, højhastighedstog og hoveddrevomformere til nye energikøretøjer (især til SiC-effektmoduler).
4. Referencer for valg af tekniske parametre
Med Jingci Precision Tech som eksempel
| Vare | Standardkapacitet | Tilpasningsmuligheder | Forklaring |
|---|
| Substratmateriale | 96 % aluminiumoxid, aluminiumnitrid | Siliciumnitrid, zirkoniumoxid, siliciumcarbid osv. | Vælg ud fra behovene for varme, styrke og pris. |
| Pladens tykkelse | 1,0 mm | 0,25 mm ~ 3,0 mm | Tynde plader bidrager til letvægtskonstruktion, mens tykke plader øger den mekaniske styrke. |
| Ydre lag Cu-tykkelse | 100μm (approx. 3oz) | 5μm ~ 400μm | DBC/AMB typically ≥100μm; DPC can be thinner. |
| Min. Linjebredde/afstand | 0,05 mm (DPC-proces) | Afhænger af processen | DPC-processen opnår den højeste præcision. |
| Overfladefinish | ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) | Immersion Silver, Immersion Tin, ENEPIG osv. | ENIG giver fremragende loddebarhed og oxidationsbestandighed. |
| Via/hul-proces | – | Metalliserede gennemgående huller, forgyldte og fyldte gennemgående huller, kantbelægning | Muliggør 3D-sammenkobling og specielle strukturelle designs. |
5. Brede anvendelsesområder
Keramiske substrater med høj varmeledningsevne er grundlaget for mange højteknologiske industrier:
- Halvledere og IC-emballage: Tilbyder et stabilt driftsmiljø med lav temperatur til CPU'er, GPU'er, FPGA'er og hukommelseschips.
- Effektelektronik og SiC/GaN-enheder: Anvendes i invertere, omformere, UPS; den ideelle "bærer" til bredbåndshalvledere som SiC/GaN.
- Elektronik til biler: Central varmeafledningskomponent i ECU'er, motorstyringer, OBC'er, LiDAR.
- 5G-kommunikation: RF-effektforstærkere og antennemoduler til basestationer kræver keramiske substrater for effektiv køling for at opretholde signalstabilitet.
- Lasere og optoelektronik: Emballage til højtydende LED'er, laserdioder (LD) og fotodetektorer.
- Luft- og rumfart og forsvar: Elektroniske systemer, der kræver maksimal pålidelighed og modstandsdygtighed over for ekstreme miljøer.
6.Fremtidige udviklingstendenser
- Innovation af materialer: Udvikling af nye materialer med højere varmeledningsevne (f.eks. diamantkompositkeramik) og bedre CTE-tilpasning.
- Procesfusion og -forbedring: Kombination af fordelene ved forskellige processer (f.eks. DPC+AMB) for yderligere at forbedre kredsløbets præcision og pålidelighed.
- Integration og modularisering: Overgang til indlejrede komponenter, 3D-pakning (3D-IPAC) for at reducere systemstørrelsen og forbedre ydeevnen.
- Optimering af omkostninger: Reduktion af omkostningerne ved højtydende keramiske substrater gennem masseproduktion og procesforbedringer, hvilket udvider deres markedsanvendelse.
Konklusion
Keramiske substrater med høj varmeledningsevne er blevet uundværlige komponenter til termisk styring i højtydende, højfrekvente applikationer. Det er afgørende for ingeniører at have en korrekt forståelse af materialernes egenskaber og procesvariationer og vælge den rigtige type, hvis de skal kunne designe højtydende, yderst pålidelige produkter.