Günümüzde güç elektroniği, yüksek frekanslı iletişim ve yarı iletken teknolojisinin hızlı gelişimi ile birlikte, elektronik bileşenlerin artan güç yoğunluğu ve entegrasyon seviyesi, ısı yönetimi ürün performansını, güvenilirliğini ve ömrünü belirleyen temel bir faktördür. Geleneksel organik PCB substratları (FR-4 gibi), düşük ısı iletkenlikleri (tipik olarak <0,5 W/m·K) nedeniyle, yüksek güçlü senaryoların ısı yayma taleplerini karşılamakta zorlanırlar. Bu bağlamda, yüksek ısı iletkenliğine sahip seramik alt tabakalar olağanüstü genel özellikleri sayesinde, gelişmiş elektronik soğutma için ideal bir çözüm olarak ortaya çıkmıştır.
Seramik alttabakalar tek bir malzeme değil, yalıtım tabakası olarak alümina (Al₂O₃), alüminyum nitrür (AlN) ve silikon nitrür (Si₃N₄) gibi inorganik metalik olmayan malzemeler kullanan bir devre alt tabakası kategorisidir. Geleneksel alt tabakalara göre avantajları temel niteliktedir:
- Mükemmel Termal Özellikler:
- Yüksek Termal İletkenlik: Geniş aralık (24 ~ 200+ W/m·K), yongalardan ısı emicilere hızlı ısı transferi sağlar, bağlantı sıcaklığını önemli ölçüde düşürür ve cihaz verimliliğini ve ömrünü artırır.
- Düşük ve Uyumlu Termal Genleşme Katsayısı (CTE): Seramiklerin CTE değeri yarı iletken yongaların (Si, SiC, GaN gibi) CTE değerine çok yakındır, bu da termal döngü sırasında oluşan gerilimi büyük ölçüde azaltarak yonga çatlamasını ve lehim bağlantılarının yorulmasını önler.
- Üstün Elektriksel ve Mekanik Özellikler:
- Yüksek Yalıtım Mukavemeti: Yüksek voltaj arızalarına dayanıklıdır, yüksek voltaj uygulamalarında güvenliği sağlar.
- Yüksek Mekanik Dayanım: Yüksek eğilme mukavemeti, basınç mukavemeti ≥500 MPa, yapısal olarak kararlı.
- İyi Kimyasal Kararlılık: Korozyona ve neme dayanıklı, zorlu ortamlar için uygundur.
- Gelişmiş Devre Yetenekleri:
- Güçlü Bakır Katman Bağlantısı: Özel işlemler sayesinde bakır tabaka ile seramik arasında sağlam bir bağ oluşturur (>20 N/mm).
- Yüksek Devre Hassasiyeti: Mikron düzeyinde devreleri destekler (minimum hat genişliği/aralığı 0,05 mm'ye ulaşabilir) ve yüksek yoğunluklu entegrasyon gereksinimlerini karşılar.
2. Ana Akım Seramik Alt Tabaka Malzemelerinin Karşılaştırması
Farklı seramik malzemeler, çeşitli uygulama ihtiyaçlarını karşılamak için kendi odak noktalarına sahiptir. Aşağıda, üç ana malzemenin karşılaştırması yer almaktadır:
| Özellik/Parametre | Alümina(Al₂O₃) | Alüminyum Nitrür (AlN) | Silikon Nitrür (Si₃N₄) | Açıklamalar/Uygulama Eğilimi |
|---|
| Isıl İletkenlik (W/m·K) | 24 – 30 | 170 – 220 | 80 – 90 | AlN, ultra yüksek termal iletkenlik için tercih edilen seçimdir; Si₃N₄ dengeli performans sunar. |
| CTE (×10⁻⁶/℃) | 6.5 – 8.0 | 4.5 – 5.5 | 2.5 – 3.5 | Si₃N₄ CTE, Si çiplerle en iyi uyumu sağlar. |
| Mekanik Dayanım | Yüksek | Nispeten Yüksek | Son Derece Yüksek (Mükemmel eğilme mukavemeti) | Si₃N₄ en iyi termal şok direncini sunar, şiddetli sıcaklık döngüleri için idealdir. |
| Maliyet Faktörü | Uygun Maliyetli | Daha yüksek | Yüksek | Al₂O₃ en yaygın kullanılan, olgun ve ekonomik seçenektir. |
| Tipik Uygulamalar | Genel amaçlı güç modülleri, LED aydınlatma | Yüksek güçlü IGBT'ler, Lazer Diyotlar (LD), 5G RF güç amplifikatörleri | Yeni enerji araç motor sürücüleri, zorlu ortamlar için güç modülleri | Seçim temelinde ısı yayılımı ihtiyaçları, güvenilirlik gereksinimlerive maliyet bütçesi. |
3. Anahtar Üretim Süreçleri
Bu işlem, seramik ve metal arasında mükemmel bir bağ elde etmek için çok önemlidir. Üç ana işlem, alt tabakanın nihai performans sınırını belirler.
- DBC (Doğrudan Bağlantılı Bakır) Süreci
- Süreç: Bakır folyo ve seramik yüzey, oksijen içeren nitrojen atmosferinde yüksek sıcaklıkta (1065~1085°C) ötektik erimeye uğrar ve güçlü Cu-O kimyasal bağları oluşturur.
- Özellikler:
- Avantajlar 2025: Kalın bakır tabaka (tipik olarak 100μm~600μm), yüksek akım taşıma kapasitesi, mükemmel ısı iletkenliği.
- Zorluklar: Sıcaklık ve atmosferin sıkı kontrolünü gerektirir; nispeten daha düşük devre hassasiyeti (hat genişliği/aralığı tipik olarak >100μm).
- Uygulamalar: Yüksek akım, yüksek ısı yayılımlı güç modülleri (örneğin, elektrikli araç invertörleri).
- DPC (Doğrudan Kaplanmış Bakır) Süreci
- Süreç: Yarı iletken işlemleri kullanır: önce seramik alt tabaka üzerine metal tohum tabakası püskürtülür, ardından fotolitografi, elektrokaplama ve aşındırma yoluyla devreler oluşturulur.
- Özellikler:
- Avantajlar 2025: Çok yüksek devre hassasiyeti (mikron seviyesine ulaşabilir), yüksek yüzey düzgünlüğü, karmaşık ve ince kablolama için uygundur.
- Zorluklar: Kaplamalıbakır tabakasınispeten incedir (tipik olarak 10μm~100μm), çok yüksek akımlar için biraz daha zayıftır ve maliyeti daha yüksektir.
- Uygulamalar: Lazer paketleme, RF/mikrodalga, sensörler gibi yüksek hassasiyet gerektiren alanlar.
- AMB (Aktif Metal Lehimleme) Süreci
- Süreç: DBC'ye dayalı bir optimizasyon, aktif elementler (örneğin Ti, Zr) içeren lehim macunu kullanarak bakır ve seramiği vakum veya inert atmosferde birleştirmek.
- Özellikler:
- Avantajlar 2025: Bağlanma gücü çok aşar DBC, daha yüksek güvenilirlik, özellikle uygun alüminyum nitrür (AlN) alt tabakalar. Termal yorgunluğa karşı mükemmel direnç.
- Zorluklar: En karmaşık süreç, en yüksek maliyet.
- Uygulamalar: Havacılık, yüksek hızlı tren ve yeni enerji araç ana tahrik invertörleri (özellikle SiC güç modülleri için) gibi ultra yüksek güvenilirlik gerektiren alanlar.
4. Teknik Parametre Seçimi Referansı
Jingci Precision Tech örneğini kullanarak
| Öğe | Standart Yetenek | Özelleştirilebilir Aralık | Açıklama |
|---|
| Alt Tabaka Malzemesi | Alümina, Alüminyum Nitrür | Silikon Nitrür, Zirkonya, Silikon Karbür vb. | Isıl, mukavemet ve maliyet ihtiyaçlarına göre seçim yapın. |
| Levha Kalınlığı | 1.0mm | 0,25 mm ~ 3,0 mm | İnce levhalar hafifliği sağlar; kalın levhalar mekanik mukavemeti artırır. |
| Dış Katman Cu Kalınlığı | 100 μm (yaklaşık 3 oz) | 5μm ~ 400μm | DBC/AMB genellikle ≥100μm;DPC daha ince olabilir. |
| Min. Çizgi Genişliği/Aralığı | 0,05 mm (DPC Süreci) | Sürece bağlıdır | DPC işlemi en yüksek hassasiyeti sağlar. |
| Yüzey İşlemi | ENIG (Akımsız Nikel Daldırma Altın) | Daldırma Gümüş, Daldırma Kalay, ENEPIG vb. | ENIG, mükemmel lehimlenebilirlik ve oksidasyon direnci sağlar. |
| Via/Delik İşlemi | – | Metalize Vias, Kaplamalı ve Dolgulu Vias, Kenar Kaplama | 3D ara bağlantı ve özel yapısal tasarımları mümkün kılar. |
5. Geniş Uygulama Alanları
Yüksek ısı iletkenliğine sahip seramik alt tabakalar, birçok yüksek teknoloji endüstrisinin temelini oluşturur:
- Yarı iletkenler ve IC ambalajlama: CPU'lar, GPU'lar, FPGA'lar ve bellek yongaları için kararlı, düşük sıcaklıkta bir çalışma ortamı sağlar.
- Güç Elektroniği ve SiC/GaN Aygıtları: İnvertörlerde, dönüştürücülerde, UPS'lerde kullanılır; SiC/GaN gibi geniş bant aralıklı yarı iletkenler için ideal "taşıyıcı"dır.
- Otomotiv Elektroniği: ECU'larda, motor kontrolörlerinde, OBC'lerde ve LiDAR'larda bulunan temel ısı yayma bileşeni.
- 5G Haberleşme: Baz istasyonu RF güç amplifikatörleri ve anten modülleri, sinyal kararlılığını korumak için verimli soğutma için seramik alt tabakalara ihtiyaç duyar.
- Lazerler ve Optoelektronik: Yüksek güçlü LED'ler, lazer diyotlar (LD) ve fotodetektörler için ambalajlama.
- Havacılık ve Uzay; Savunma: En üst düzeyde güvenilirlik ve aşırı ortamlara dayanıklılık gerektiren elektronik sistemler.
6.Gelecekteki Gelişim Trendleri
- Malzeme İnovasyonu: Daha yüksek ısı iletkenliğine (örneğin, elmas kompozit seramikler) ve daha iyi CTE uyumuna sahip yeni malzemeler geliştirmek.
- Süreç Birleştirme ve İyileştirme: Farklı süreçlerin avantajlarını birleştirerek (örneğin, DPC+AMB) devre hassasiyetini ve güvenilirliğini daha da iyileştirmek.
- Entegrasyon ve Modülerleştirme: Sistem boyutunu küçültmek ve performansı artırmak için gömülü bileşenlere, 3D paketlemeye (3D-IPAC) doğru ilerleme.
- Maliyet Optimizasyonu: Yüksek performanslı seramik substratların maliyetini seri üretim ve süreç iyileştirmeleriyle düşürerek, pazar uygulamalarını genişletmek.
Sonuç
Yüksek ısı iletkenliğine sahip seramik alt tabakalar, yüksek güçlü, yüksek frekanslı uygulamalarda vazgeçilmez termal yönetim bileşenleri haline gelmiştir. Malzeme özelliklerini ve süreç varyasyonlarını doğru bir şekilde anlamak ve uygun türü seçmek, mühendislerin yüksek performanslı, son derece güvenilir ürünler tasarlamaları için kritik bir adımdır.