Nel rapido sviluppo dell'elettronica di potenza, delle comunicazioni ad alta frequenza e della tecnologia dei semiconduttori odierna, la crescente densità di potenza e il livello di integrazione dei componenti elettronici hanno reso gestione termica un fattore fondamentale che determina le prestazioni, l'affidabilità e la durata del prodotto. I substrati PCB organici tradizionali (come FR-4), con la loro bassa conduttività termica (tipicamente <0,5 W/m·K), faticano a soddisfare le esigenze di dissipazione del calore in scenari ad alta potenza. In questo contesto, substrati ceramici ad alta conducibilità termica si sono affermati come soluzione ideale per il raffreddamento elettronico avanzato, grazie alle loro eccezionali proprietà complessive.
I substrati ceramici non sono un unico materiale, ma una categoria di substrati per circuiti che utilizzano materiali inorganici non metallici come l'allumina (Al₂O₃), il nitruro di alluminio (AlN) e il nitruro di silicio (Si₃N₄) come strato isolante. I loro vantaggi rispetto ai substrati tradizionali sono fondamentali:
- Eccellenti proprietà termiche:
- Alta conducibilità termica: Ampio intervallo (24 ~ 200+ W/m·K), che consente un rapido trasferimento di calore dai chip ai dissipatori di calore, riducendo significativamente la temperatura di giunzione e migliorando l'efficienza e la durata dei dispositivi.
- Coefficiente di espansione termica (CTE) basso e adeguato: Il CTE della ceramica è molto simile a quello dei chip semiconduttori (come Si, SiC, GaN), riducendo notevolmente lo stress generato durante il ciclo termico, prevenendo la rottura dei chip e l'usura dei giunti saldati.
- Proprietà elettriche e meccaniche superiori:
- Elevata resistenza di isolamento: Resiste alle scariche elettriche ad alta tensione, garantendo la sicurezza nelle applicazioni ad alta tensione.
- Alta resistenza meccanica: Elevata resistenza alla flessione, resistenza alla compressione ≥500 MPa, strutturalmente stabile.
- Buona stabilità chimica: Resistente alla corrosione e all'umidità, adatto ad ambienti difficili.
- Funzionalità avanzate dei circuiti:
- Forte adesione dello strato di rame: Ottiene un legame saldo tra lo strato di rame e la ceramica (>20 N/mm) attraverso processi speciali.
- Alta precisione dei circuiti: Supporta circuiti a livello micrometrico (la larghezza/spaziatura minima delle linee può raggiungere 0,05 mm), soddisfacendo i requisiti di integrazione ad alta densità.
2. Confronto tra i principali materiali ceramici utilizzati come substrati
I diversi materiali ceramici hanno caratteristiche specifiche per soddisfare le diverse esigenze applicative. Di seguito è riportato un confronto tra i tre materiali principali:
| Caratteristica/Parametro | 96% allumina (Al₂O₃) | Nitruro di alluminio (AlN) | Nitruro di silicio (Si₃N₄) | Osservazioni/Tendenza applicativa |
|---|
| Conducibilità termica (W/m·K) | 24 – 30 | 170 – 220 | 80 – 90 | L'AlN è la scelta preferita per la conducibilità termica ultra elevata; il Si₃N₄ offre prestazioni equilibrate. |
| CTE (×10⁻⁶/℃) | 6.5 – 8.0 | 4.5 – 5.5 | 2.5 – 3.5 | Si₃N₄ Il CTE si abbina perfettamente ai chip Si. |
| Resistenza meccanica | elevata | Relativamente alto | Estremamente alto (Eccellente resistenza alla flessione) | Si₃N₄ offre la migliore resistenza agli shock termici, ideale per cicli di temperatura estremi. |
| Fattore di costo | Economicamente vantaggioso | Più alto | elevata | Al₂O₃ è l'opzione più diffusa, matura ed economica. |
| Applicazioni tipiche | Moduli di alimentazione per uso generico, illuminazione a LED | IGBT ad alta potenza, diodi laser (LD), amplificatori di potenza RF 5G | Motori per veicoli a nuova energia, moduli di potenza per ambienti estremi | Selezione basata su esigenze di dissipazione del calore, requisiti di affidabilità, e budget dei costi. |
3. Processi chiave di produzione
Il processo è fondamentale per ottenere un legame perfetto tra ceramica e metallo. I tre processi principali determinano il limite massimo delle prestazioni finali del substrato.
- Processo DBC (Direct Bonded Copper)
- Processo: La lamina di rame e la superficie ceramica subiscono una fusione eutettica ad alta temperatura (1065~1085 °C) in un'atmosfera di azoto contenente ossigeno, formando forti legami chimici Cu-O.
- Caratteristiche:
- vantaggi: Strato di rame spesso (tipicamente 100μm~600μm), elevata capacità di trasporto di corrente, eccellente conducibilità termica.
- Sfide: Richiede un controllo rigoroso della temperatura e dell'atmosfera; precisione dei circuiti relativamente inferiore (larghezza/spaziatura delle linee tipicamente >100 μm).
- domande: Moduli di potenza ad alta corrente e alta dissipazione termica (ad esempio, inverter per veicoli elettrici).
- Processo DPC (Direct Plated Copper)
- Processo: Utilizza processi a semiconduttori: prima si spruzza uno strato di metallo sul substrato ceramico, poi si formano i circuiti tramite fotolitografia, galvanoplastica e incisione.
- Caratteristiche:
- vantaggi: Precisione del circuito molto elevata (può raggiungere livelli micrometrici), elevata planarità superficiale, adatto per cablaggi complessi e precisi.
- Sfide: Lo strato di rame placcato è relativamente sottile (in genere 10 μm~100 μm), leggermente più debole per correnti molto elevate e più costoso.
- domande: Campi che richiedono un'elevata precisione, come l'imballaggio laser, RF/microonde, sensori.
- Processo AMB (Active Metal Brazing)
- Processo: Ottimizzazione basata sul DBC, che utilizza pasta per brasatura contenente elementi attivi (ad esempio Ti, Zr) per unire rame e ceramica in atmosfera sottovuoto o inerte.
- Caratteristiche:
- vantaggi: Resistenza del legame supera di gran lunga DBC, maggiore affidabilità, particolarmente adatto per nitruro di alluminio (AlN) substrati. Eccellente resistenza alla fatica termica.
- Sfide: Processo più complesso, costo più elevato.
- domande: Settori che richiedono un'affidabilità estremamente elevata, come quello aerospaziale, ferroviario ad alta velocità e degli inverter di azionamento principali dei veicoli a nuova energia (in particolare per i moduli di potenza SiC).
4. Riferimento per la selezione dei parametri tecnici
Utilizzando Jingci Precision Tech come esempio
| voce | Capacità standard | Gamma personalizzabile | Spiegazione |
|---|
| Materiale del substrato | 96% allumina, nitruro di alluminio | Nitruro di silicio, zirconia, carburo di silicio, ecc. | Scegli in base alle esigenze termiche, di resistenza e di costo. |
| Spessore bordo | 1,0 mm | 0,25 mm ~ 3,0 mm | I pannelli sottili contribuiscono alla leggerezza; quelli spessi migliorano la resistenza meccanica. |
| Spessore dello strato esterno in rame | 100 μm (circa 3 oz) | 5 μm ~ 400 μm | DBC/AMB tipicamente ≥100μm; DPC può essere più sottile. |
| Min. Larghezza/spaziatura delle linee | 0,05 mm (processo DPC) | Dipende dal processo | Il processo DPC raggiunge la massima precisione. |
| Finitura superficiale | ENIG (oro per immersione in nichel chimico) | Argento per immersione, stagno per immersione, ENEPIG, ecc. | ENIG offre eccellenti proprietà di saldabilità e resistenza all'ossidazione. |
| Processo via/foro | – | Vias metallizzati, vias placcati e riempiti, placcatura dei bordi | Consente l'interconnessione 3D e progetti strutturali speciali. |
5. Ampi campi di applicazione
I substrati ceramici ad alta conducibilità termica sono alla base di molte industrie high-tech:
- Semiconduttori e confezionamento di circuiti integrati: Fornisce un ambiente operativo stabile e a bassa temperatura per CPU, GPU, FPGA e chip di memoria.
- Elettronica di potenza e dispositivi SiC/GaN: Utilizzato in inverter, convertitori, UPS; il "vettore" ideale per semiconduttori a banda larga come SiC/GaN.
- Elettronica automobilistica: Componente principale per la dissipazione del calore in ECU, controller motore, OBC, LiDAR.
- Comunicazione 5GGli amplificatori di potenza RF delle stazioni base e i moduli antenna richiedono substrati ceramici per un raffreddamento efficiente che mantenga la stabilità del segnale.
- Laser e optoelettronica: Imballaggi per LED ad alta potenza, diodi laser (LD), fotorilevatori.
- Aeronautica & difesa: Sistemi elettronici che richiedono la massima affidabilità e resistenza in condizioni ambientali estreme.
6. Tendenze di sviluppo future
- Innovazione dei materiali: Sviluppo di nuovi materiali con maggiore conducibilità termica (ad esempio ceramiche composite al diamante) e migliore corrispondenza CTE.
- Fusione e perfezionamento dei processi: Combinazione dei vantaggi di diversi processi (ad esempio, DPC+AMB) per migliorare ulteriormente la precisione e l'affidabilità dei circuiti.
- Integrazione e modularizzazionePassaggio a componenti integrati, packaging 3D (3D-IPAC) per ridurre le dimensioni del sistema e migliorare le prestazioni.
- Ottimizzazione dei costi: Ridurre il costo dei substrati ceramici ad alte prestazioni attraverso la produzione di massa e il miglioramento dei processi, ampliandone l'applicazione sul mercato.
conclusioni
I substrati ceramici ad alta conducibilità termica sono diventati componenti indispensabili per la gestione termica nelle applicazioni ad alta potenza e alta frequenza. Comprendere correttamente le proprietà dei materiali e le variazioni di processo, nonché selezionare il tipo appropriato, è un passo fondamentale per gli ingegneri nella progettazione di prodotti altamente performanti e affidabili.