Dans le contexte actuel de développement rapide de l'électronique de puissance, des communications haute fréquence et des technologies des semi-conducteurs, l'augmentation de la densité de puissance et du niveau d'intégration des composants électroniques a rendu gestion thermique un facteur essentiel déterminant les performances, la fiabilité et la durée de vie des produits. Les substrats PCB organiques traditionnels (comme le FR-4), avec leur faible conductivité thermique (généralement < 0,5 W/m·K), ont du mal à répondre aux exigences de dissipation thermique des scénarios à haute puissance. Dans ce contexte, substrats céramiques à haute conductivité thermique se sont imposés comme une solution idéale pour le refroidissement électronique avancé, grâce à leurs propriétés globales exceptionnelles.
Les substrats céramiques ne constituent pas un matériau unique, mais une catégorie de substrats de circuits utilisant des matériaux inorganiques non métalliques tels que l'alumine (Al₂O₃), le nitrure d'aluminium (AlN) et le nitrure de silicium (Si₃N₄) comme couche isolante. Leurs avantages par rapport aux substrats traditionnels sont fondamentaux :
- Excellentes propriétés thermiques:
- Conductivité thermique élevée: Large plage (24 ~ 200+ W/m·K), permettant un transfert thermique rapide des puces vers les dissipateurs thermiques, réduisant considérablement la température de jonction et améliorant l'efficacité et la durée de vie des appareils.
- Coefficient de dilatation thermique (CTE) faible et adapté: Le CTE de la céramique est très proche de celui des puces semi-conductrices (comme le Si, le SiC, le GaN), ce qui réduit considérablement les contraintes générées lors des cycles thermiques, empêchant ainsi la fissuration des puces et la fatigue des joints de soudure.
- Propriétés électriques et mécaniques supérieures:
- Haute résistance d'isolation: Résiste aux claquages haute tension, garantissant la sécurité dans les applications haute tension.
- Résistance mécanique élevée: Haute résistance à la flexion, résistance à la compression ≥500 MPa, structurellement stable.
- Bonne stabilité chimique: Résistant à la corrosion et à l'humidité, adapté aux environnements difficiles.
- Capacités avancées en matière de circuits électroniques:
- Liaison solide de la couche de cuivre: Permet d'obtenir une liaison solide entre la couche de cuivre et la céramique (>20 N/mm) grâce à des procédés spéciaux.
- Haute précision des circuits: Prend en charge les circuits au niveau micrométrique (la largeur/espacement minimum des lignes peut atteindre 0,05 mm), répondant ainsi aux exigences d'intégration haute densité.
2. Comparaison des principaux matériaux de substrat céramique
Différents matériaux céramiques ont leurs propres caractéristiques pour répondre à divers besoins d'application. Voici une comparaison des trois matériaux principaux :
| Caractéristique/Paramètre | 96 % d'alumine (Al₂O₃) | Nitrure d'aluminium (AlN) | Nitrure de silicium (Si₃N₄) | Remarques/Tendance d'application |
|---|
| Conductivité thermique (W/m·K) | 24 – 30 | 170 – 220 | 80 – 90 | L'AlN est le choix privilégié pour une conductivité thermique ultra-élevée ; le Si₃N₄ offre des performances équilibrées. |
| CTE (×10⁻⁶/℃) | 6.5 – 8.0 | 4.5 – 5.5 | 2.5 – 3.5 | Si₃N₄ Le CTE correspond parfaitement aux puces Si. |
| Résistance mécanique | Haut | Relativement élevé | Extrêmement élevé (Excellente résistance à la flexion) | Si₃N₄ offre la meilleure résistance aux chocs thermiques, idéale pour les cycles de température extrêmes. |
| Facteur de coût | Rentabilité | Plus élevé | Haut | Al₂O₃ est l'option la plus répandue, la plus aboutie et la plus économique. |
| Applications typiques | Modules d'alimentation à usage général, éclairage LED | IGBT haute puissance, diodes laser (LD), amplificateurs de puissance RF 5G | Moteurs pour véhicules à énergie nouvelle, modules de puissance pour environnements extrêmes | Sélection basée sur besoins en dissipation thermique, exigences de fiabilitéet budget des coûts. |
3. Principaux processus de fabrication
Le processus est essentiel pour obtenir une liaison parfaite entre la céramique et le métal. Les trois processus principaux déterminent le plafond de performance final du substrat.
- Procédé DBC (cuivre directement lié)
- Processus: La feuille de cuivre et la surface céramique subissent une fusion eutectique à haute température (1065~1085 °C) dans une atmosphère d'azote contenant de l'oxygène, formant ainsi des liaisons chimiques Cu-O solides.
- Caractéristiques:
- Avantages: Couche de cuivre épaisse (généralement 100 μm à 600 μm), capacité de transport de courant élevée, excellente conductivité thermique.
- Défis: Nécessite un contrôle strict de la température et de l'atmosphère ; précision des circuits relativement faible (largeur/espacement des lignes généralement > 100 μm).
- Applications: Modules de puissance à courant élevé et à dissipation thermique élevée (par exemple, onduleurs pour véhicules électriques).
- Procédé DPC (cuivre plaqué direct)
- Processus: Utilise des procédés semi-conducteurs : tout d'abord, pulvérisation d'une couche métallique d'amorçage sur le substrat céramique, puis formation de circuits par photolithographie, galvanoplastie et gravure.
- Caractéristiques:
- Avantages: Très haute précision des circuits (pouvant atteindre le niveau micrométrique), grande planéité de surface, adapté aux câblages complexes et fins.
- Défis: La couche de cuivre plaquée est relativement mince (généralement 10 μm à 100 μm), légèrement moins résistante aux courants très élevés et plus coûteuse.
- Applications: Domaines exigeant une grande précision, tels que l'emballage laser, les radiofréquences/micro-ondes, les capteurs.
- Procédé AMB (brasage actif des métaux)
- Processus: Optimisation basée sur le DBC, utilisant une pâte à braser contenant des éléments actifs (par exemple, Ti, Zr) pour lier le cuivre et la céramique sous vide ou dans une atmosphère inerte.
- Caractéristiques:
- Avantages: Résistance de liaison dépasse largement DBC, fiabilité accrue, particulièrement adapté pour nitrure d'aluminium (AlN) substrats. Excellente résistance à la fatigue thermique.
- Défis: Processus le plus complexe, coût le plus élevé.
- Applications: Domaines exigeant une fiabilité extrêmement élevée, tels que l'aérospatiale, les trains à grande vitesse et les onduleurs principaux des véhicules à énergie nouvelle (en particulier pour les modules de puissance SiC).
4. Référence pour la sélection des paramètres techniques
Prenons l'exemple de Jingci Precision Tech.
| Objet | Capacité standard | Gamme personnalisable | Explication |
|---|
| Matériau du substrat | 96 % d'alumine, nitrure d'aluminium | Nitrure de silicium, zircone, carbure de silicium, etc. | Choisissez en fonction des besoins thermiques, de résistance et de coût. |
| Épaisseur du panneau | 1,0 mm | 0,25 mm ~ 3,0 mm | Les panneaux minces contribuent à alléger le poids, tandis que les panneaux épais améliorent la résistance mécanique. |
| Épaisseur de la couche externe en cuivre | 100 μm (environ 3 oz) | 5 μm ~ 400 μm | DBC/AMB généralement ≥ 100 μm ; DPC peut être plus fin. |
| Min. Largeur de ligne/intervalle | 0,05 mm (procédé DPC) | Dépend du processus | Le processus DPC permet d'obtenir la plus grande précision. |
| Finition de la surface | ENIG (nickel chimique, immersion dans l'or) | Immersion argent, immersion étain, ENEPIG, etc. | ENIG offre une excellente soudabilité et une excellente résistance à l'oxydation. |
| Procédé de via/trou | – | Vias métallisés, vias plaqués et remplis, placage des bords | Permet l'interconnexion 3D et les conceptions structurelles spéciales. |
5. Domaines d'application étendus
Les substrats céramiques à haute conductivité thermique sont à la base de nombreuses industries de haute technologie :
- Semi-conducteurs et boîtiers de circuits intégrés: Fournit un environnement de fonctionnement stable et à basse température pour les processeurs, les processeurs graphiques, les FPGA et les puces mémoire.
- Électronique de puissance et dispositifs SiC/GaN: Utilisé dans les onduleurs, les convertisseurs, les UPS ; le « support » idéal pour les semi-conducteurs à large bande interdite tels que le SiC/GaN.
- Électronique automobile: Composant central de dissipation thermique dans les calculateurs électroniques, les contrôleurs de moteur, les convertisseurs de bord et les systèmes LiDAR.
- Communication 5GLes amplificateurs de puissance RF et les modules d'antenne des stations de base nécessitent des substrats céramiques pour un refroidissement efficace afin de maintenir la stabilité du signal.
- Lasers et optoélectronique: Emballage pour LED haute puissance, diodes laser (LD), photodétecteurs.
- Aérospatiale et défense: Systèmes électroniques exigeant une fiabilité maximale et une résistance aux environnements extrêmes.
6.Tendances futures en matière de développement
- Innovation matérielle: Développer de nouveaux matériaux présentant une conductivité thermique plus élevée (par exemple, des céramiques composites à base de diamant) et une meilleure adaptation du coefficient de dilatation thermique (CTE).
- Fusion et perfectionnement des processus: Combiner les avantages de différents procédés (par exemple, DPC+AMB) afin d'améliorer encore la précision et la fiabilité des circuits.
- Intégration et modularisation: Évolution vers des composants intégrés, conditionnement 3D (3D-IPAC) afin de réduire la taille du système et d'améliorer ses performances.
- Optimisation des coûtsRéduire le coût des substrats céramiques haute performance grâce à la production de masse et à l'amélioration des processus, élargissant ainsi leur application sur le marché.
Conclusion
Les substrats céramiques à haute conductivité thermique sont devenus des composants indispensables pour la gestion thermique dans les applications à haute puissance et haute fréquence. Il est essentiel pour les ingénieurs de bien comprendre les propriétés des matériaux et les variations des processus, et de sélectionner le type approprié afin de concevoir des produits hautement performants et fiables.