В условиях быстрого развития силовой электроники, высокочастотной связи и полупроводниковой технологии сегодня растущая плотность мощности и уровень интеграции электронных компонентов привели к тому, что управление тепловым режимом основной фактор, определяющий производительность, надежность и срок службы продукта. Традиционные органические подложки для печатных плат (такие как FR-4) с их низкой теплопроводностью (обычно <0,5 Вт/м·К) с трудом справляются с требованиями по отводу тепла в условиях высокой мощности. В этом контексте керамические подложки с высокой теплопроводностью стали идеальным решением для охлаждения современной электроники благодаря своим исключительным общим свойствам.
Керамические подложки — это не отдельный материал, а категория подложек для печатных плат, в которых в качестве изолирующего слоя используются неорганические неметаллические материалы, такие как оксид алюминия (Al₂O₃), нитрид алюминия (AlN) и нитрид кремния (Si₃N₄). Их преимущества по сравнению с традиционными подложками являются фундаментальными:
- Превосходные тепловые свойства:
- Высокая теплопроводность: Широкий диапазон (24 ~ 200+ Вт/м·К), обеспечивающий быструю передачу тепла от микросхем к радиаторам, значительно снижающий температуру перехода и повышающий эффективность и срок службы устройства.
- Низкий и согласованный коэффициент теплового расширения (CTE): Коэффициент теплового расширения керамики очень близок к коэффициенту теплового расширения полупроводниковых микросхем (таких как Si, SiC, GaN), что значительно снижает напряжение, возникающее при термоциклировании, предотвращая растрескивание микросхем и усталость паяных соединений.
- Превосходные электрические и механические свойства:
- Высокая прочность изоляции: Выдерживает пробой при высоком напряжении, обеспечивая безопасность в высоковольтных системах.
- Высокая механическая прочность: Высокая прочность на изгиб, прочность на сжатие ≥500 МПа, структурная стабильность.
- Хорошая химическая стабильность: Устойчив к коррозии и влаге, подходит для использования в суровых условиях.
- Расширенные возможности схемных решений:
- Прочное соединение медных слоев: Обеспечивает прочное соединение между медным слоем и керамикой (>20 Н/мм) благодаря специальным процессам.
- Высокая точность схем: Поддерживает микроскопические схемы (минимальная ширина/расстояние между линиями может достигать 0,05 мм), отвечая требованиям высокой плотности интеграции.
2. Сравнение основных материалов керамических подложек
Различные керамические материалы имеют свои особенности, позволяющие удовлетворить разнообразные потребности применения. Ниже приводится сравнение трех основных материалов:
| Характеристика/Параметр | 96% оксид алюминия (Al₂O₃) | Нитрид алюминия (AlN) | Нитрид кремния (Si₃N₄) | Замечания/Тенденция применения |
|---|
| Теплопроводность (Вт/м·К) | 24 – 30 | 170 – 220 | 80 – 90 | AlN является предпочтительным выбором для обеспечения сверхвысокой теплопроводности; Si₃N₄ обеспечивает сбалансированную производительность. |
| CTE (×10⁻⁶/℃) | 6.5 – 8.0 | 4.5 – 5.5 | 2.5 – 3.5 | Si₃N₄ CTE лучше всего подходит для чипов Si. |
| Механическая прочность | - высокий уровень | Относительно высокий | Чрезвычайно высокий (Отличная прочность на изгиб) | Si₃N₄ обладает наилучшей термостойкостью, идеально подходит для использования в условиях резких перепадов температуры. |
| Фактор стоимости | Экономически эффективный | Выше | - высокий уровень | Al₂O₃ является наиболее широко используемым, зрелым и экономичным вариантом. |
| Типичные области применения | Модули питания общего назначения, светодиодное освещение | Высокомощные IGBT, лазерные диоды (LD), усилители мощности 5G RF | Приводы двигателей для автомобилей на новых источниках энергии, силовые модули для экстремальных условий эксплуатации | Выбор на основе потребности в рассеивании тепла, требования к надежности, и бюджет расходов. |
3. Основные производственные процессы
Этот процесс имеет ключевое значение для достижения идеального соединения керамики и металла. Три основных процесса определяют конечный предел производительности подложки.
- Процесс DBC (прямое соединение меди)
- Процесс: Медная фольга и керамическая поверхность подвергаются эвтектическому плавлению при высокой температуре (1065~1085 °C) в кислородсодержащей азотной атмосфере, образуя прочные химические связи Cu-O.
- Характеристики:
- Преимущества: Толстый слой меди (обычно 100–600 мкм), высокая токонесущая способность, отличная теплопроводность.
- Проблемы: Требует строгого контроля температуры и атмосферы; относительно низкая точность схемы (ширина линии/расстояние между линиями обычно >100 мкм).
- Приложения: Модули питания с высоким током и высоким тепловыделением (например, инверторы для электромобилей).
- Процесс DPC (прямое нанесение меди)
- Процесс: Использует полупроводниковые процессы: сначала на керамическую подложку напыляется металлический затравочный слой, затем с помощью фотолитографии, гальваники и травления формируются схемы.
- Характеристики:
- Преимущества: Очень высокая точность схемы (может достигать микронного уровня), высокая плоскостность поверхности, подходит для сложной и тонкой проводки.
- Проблемы: Покрытие из меди относительно тонкое (обычно 10–100 мкм), немного слабее при очень высоких токах и более дорогое.
- Приложения: Области, требующие высокой точности, такие как лазерная упаковка, РЧ/микроволновая техника, датчики.
- Процесс AMB (активная пайка металлом)
- Процесс: Оптимизация на основе DBC с использованием паяльной пасты, содержащей активные элементы (например, Ti, Zr), для соединения меди и керамики в вакууме или инертной атмосфере.
- Характеристики:
- Преимущества: Прочность сцепления значительно превышает DBC, повышенная надежность, особенно подходит для нитрид алюминия (AlN) субстраты. Отличная стойкость к термической усталости.
- Проблемы: Наиболее сложный процесс, наибольшая стоимость.
- Приложения: Области, требующие сверхвысокой надежности, такие как аэрокосмическая промышленность, высокоскоростные железные дороги и инверторы главного привода транспортных средств на новых источниках энергии (особенно для силовых модулей SiC).
4. Справочник по выбору технических параметров
На примере компании Jingci Precision Tech
| Пункт повестки дня | Стандартные возможности | Настраиваемый диапазон | Объяснение |
|---|
| Материал подложки | 96% оксид алюминия, нитрид алюминия | Нитрид кремния, диоксид циркония, карбид кремния и т. д. | Выбирайте исходя из требований к тепловым характеристикам, прочности и стоимости. |
| Толщина стенок картона | 1,0 мм | 0,25 мм ~ 3,0 мм | Тонкие доски способствуют облегчению веса; толстые доски повышают механическую прочность. |
| Толщина внешнего слоя Cu | 100 мкм (около 3 унций) | 5 мкм ~ 400 мкм | DBC/AMB обычно ≥100 мкм; DPC может быть тоньше. |
| Мин. Ширина линии/расстояние между линиями | 0,05 мм (процесс DPC) | Зависит от процесса | Процесс DPC обеспечивает максимальную точность. |
| Отделка поверхности | ENIG (золото, погруженное в никель) | Погружное серебрение, погружное лужение, ENEPIG и т. д. | ENIG обеспечивает отличную паяемость и стойкость к окислению. |
| Процесс прокладки/отверстий | – | Металлизированные переходные отверстия, гальванические и заполненные переходные отверстия, гальваническое покрытие кромок | Обеспечивает 3D-соединение и специальные конструктивные решения. |
5. Широкие области применения
Керамические подложки с высокой теплопроводностью являются основой многих высокотехнологичных отраслей промышленности:
- Полупроводники и упаковка интегральных схем: Обеспечивает стабильную рабочую среду с низкой температурой для процессоров, графических процессоров, ПЛИС и микросхем памяти.
- Силовая электроника и устройства на основе SiC/GaN: Используется в инверторах, преобразователях, источниках бесперебойного питания; идеальный «носитель» для полупроводников с широкой запрещенной зоной, таких как SiC/GaN.
- Автомобильная электроника: Основной компонент для отвода тепла в электронных блоках управления, контроллерах двигателя, бортовых зарядных устройствах, LiDAR.
- Связь 5G: Усилители радиочастотной мощности базовой станции и антенные модули требуют керамических подложек для эффективного охлаждения, чтобы поддерживать стабильность сигнала.
- Лазеры и оптоэлектроника: Упаковка для высокомощных светодиодов, лазерных диодов (LD), фотодетекторов.
- Аэрокосмическая и космическая промышленность Защита в суде: Электронные системы, требующие максимальной надежности и устойчивости к экстремальным условиям эксплуатации.
6. Тенденции будущего развития
- Инновации в области материалов: Разработка новых материалов с более высокой теплопроводностью (например, алмазно-композитная керамика) и лучшим согласованием коэффициента теплового расширения.
- Слияние и усовершенствование процессов: Объединение преимуществ различных процессов (например, DPC+AMB) для дальнейшего повышения точности и надежности схем.
- Интеграция и модуляризация: Переход к встроенным компонентам, 3D-упаковке (3D-IPAC) для уменьшения размера системы и повышения производительности.
- Оптимизация затрат: Снижение стоимости высокоэффективных керамических подложек за счет массового производства и усовершенствования технологических процессов, расширение их применения на рынке.
Iii. Выводы и рекомендации
Керамические подложки с высокой теплопроводностью стали незаменимыми компонентами системы управления тепловым режимом в высокомощных высокочастотных устройствах. Правильное понимание свойств материалов и вариаций технологического процесса, а также выбор подходящего типа являются важными этапами для инженеров при разработке высокопроизводительных и надежных продуктов.