Angesichts der rasanten Entwicklung der Leistungselektronik, der Hochfrequenzkommunikation und der Halbleitertechnologie haben die zunehmende Leistungsdichte und der steigende Integrationsgrad elektronischer Bauteile dazu geführt, dass Wärmemanagement ein entscheidender Faktor für die Leistung, Zuverlässigkeit und Lebensdauer eines Produkts. Herkömmliche organische PCB-Substrate (wie FR-4) mit ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit (typischerweise < 0,5 W/m·K) haben Schwierigkeiten, die Anforderungen an die Wärmeableitung in Hochleistungsszenarien zu erfüllen. In diesem Zusammenhang Keramiksubstrate mit hoher Wärmeleitfähigkeit haben sich dank ihrer außergewöhnlichen Gesamteigenschaften als ideale Lösung für die Kühlung moderner Elektronik herausgestellt.
Keramiksubstrate sind kein einzelnes Material, sondern eine Kategorie von Schaltungssubstraten, bei denen anorganische nichtmetallische Materialien wie Aluminiumoxid (Al₂O₃), Aluminiumnitrid (AlN) und Siliziumnitrid (Si₃N₄) als Isolierschicht verwendet werden. Ihre Vorteile gegenüber herkömmlichen Substraten sind grundlegend:
- Hervorragende thermische Eigenschaften:
- Hohe Wärmeleitfähigkeit: Großer Bereich (24 bis über 200 W/m·K), ermöglicht eine schnelle Wärmeübertragung von Chips zu Kühlkörpern, senkt die Sperrschichttemperatur erheblich und verbessert die Effizienz und Lebensdauer des Geräts.
- Niedriger und angepasster Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE): Der CTE-Wert von Keramik liegt sehr nahe an dem von Halbleiterchips (wie Si, SiC, GaN), wodurch die bei Temperaturwechselbeanspruchung entstehende Spannung erheblich reduziert wird und Risse im Chip sowie eine Ermüdung der Lötstellen verhindert werden.
- Hervorragende elektrische und mechanische Eigenschaften:
- Hohe Isolationsfestigkeit: Widersteht Hochspannungsdurchschlägen und gewährleistet somit Sicherheit in Hochspannungsanwendungen.
- Hohe mechanische Festigkeit: Hohe Biegefestigkeit, Druckfestigkeit ≥500 MPa, strukturell stabil.
- Gute chemische StabilitätKorrosions- und feuchtigkeitsbeständig, geeignet für raue Umgebungen.
- Fortgeschrittene Schaltungstechnologie:
- Starke Kupferschichtverklebung: Erzielt durch spezielle Verfahren eine feste Verbindung zwischen der Kupferschicht und der Keramik (>20 N/mm).
- Hohe Präzision der SchaltkreiseUnterstützt Schaltkreise im Mikrometerbereich (minimale Leitungsbreite/minimaler Leitungsabstand kann 0,05 mm erreichen) und erfüllt damit die Anforderungen an eine hohe Integrationsdichte.
2. Vergleich der gängigen keramischen Substratmaterialien
Verschiedene Keramikmaterialien haben ihre eigenen Schwerpunkte, um unterschiedlichen Anwendungsanforderungen gerecht zu werden. Im Folgenden finden Sie einen Vergleich der drei gängigsten Materialien:
| Merkmal/Parameter | 96 % Aluminiumoxid (Al₂O₃) | Aluminiumnitrid (AlN) | Silicon Nitride (Si₃N₄) | Anmerkungen/Anwendungstendenz |
|---|
| Wärmeleitfähigkeit (W/m·K) | 24 – 30 | 170 – 220 | 80 – 90 | AlN ist die bevorzugte Wahl für extrem hohe Wärmeleitfähigkeit; Si₃N₄ bietet eine ausgewogene Leistung. |
| CTE (×10⁻⁶/℃) | 6.5 – 8.0 | 4.5 – 5.5 | 2.5 – 3.5 | Si₃N₄ CTE passt am besten zu Si-Chips. |
| Mechanische Festigkeit | Hoch | Relativ hoch | Extrem hoch (Ausgezeichnete Biegefestigkeit) | Si₃N₄ bietet die beste Temperaturwechselbeständigkeit und ist ideal für starke Temperaturschwankungen geeignet. |
| Kostenfaktor | Kostengünstig | Höher | Hoch | Al₂O₃ ist die am weitesten verbreitete, ausgereifteste und wirtschaftlichste Option. |
| Typische Anwendungen | Allzweck-Leistungsmodule, LED-Beleuchtung | Hochleistungs-IGBTs, Laserdioden (LD), 5G-HF-Leistungsverstärker | Antriebe für Fahrzeuge mit neuen Energien, Leistungsmodule für extreme Umgebungen | Auswahl basierend auf Wärmeableitungsbedarf, Zuverlässigkeitsanforderungenund Kostenbudget. |
3. Wichtige Fertigungsprozesse
Der Prozess ist entscheidend für die Erzielung einer perfekten Verbindung zwischen Keramik und Metall. Die drei gängigen Verfahren bestimmen die endgültige Leistungsgrenze des Substrats.
- DBC-Verfahren (Direct Bonded Copper)
- ProzessKupferfolie und Keramikoberfläche unterliegen bei hohen Temperaturen (1065 bis 1085 °C) in einer sauerstoffhaltigen Stickstoffatmosphäre einem eutektischen Schmelzprozess, wodurch starke chemische Cu-O-Bindungen entstehen.
- Merkmale:
- Vorteile: Dicke Kupferschicht (typischerweise 100 μm bis 600 μm), hohe...
- HerausforderungenErfordert eine strenge Kontrolle der Temperatur und Atmosphäre; relativ geringere Präzision der Leiterbahnen (Leiterbahnbreite/Abstand typischerweise >100 μm).
- AnwendungenHochstrom-Leistungsmodule mit hoher Wärmeableitung (z. B. Wechselrichter für Elektrofahrzeuge).
- DPC-Verfahren (Direct Plated Copper)
- Prozess: Nutzt Halbleiterprozesse: Zunächst wird eine Metallkeimschicht auf das Keramiksubstrat gesputtert, anschließend werden durch Fotolithografie, Galvanisierung und Ätzen Schaltkreise gebildet.
- Merkmale:
- Vorteile: Sehr hohe Präzision der Leiterbahnen (bis in den Mikrometerbereich), hohe Oberflächenebenheit, geeignet für komplexe und feine Verdrahtungen.
- HerausforderungenDie Kupferbeschichtung ist relativ dünn (typischerweise 10 μm bis 100 μm), bei sehr hohen Strömen etwas schwächer und mit höheren Kosten verbunden.
- Anwendungen: Bereiche, die eine hohe Präzision erfordern, wie beispielsweise Laser-Verpackungen, HF/Mikrowellen, Sensoren.
- AMB-Verfahren (Active Metal Brazing)
- ProzessEine Optimierung auf Basis von DBC unter Verwendung von Hartlotpaste, die aktive Elemente (z. B. Ti, Zr) enthält, um Kupfer und Keramik in einem Vakuum oder einer inerten Atmosphäre zu verbinden.
- Merkmale:
- Vorteile: Haftfestigkeit weit übertrifft DBC, höhere Zuverlässigkeit, besonders geeignet für Aluminiumnitrid (AlN) Substrate. Hervorragende Beständigkeit gegen thermische Ermüdung.
- Herausforderungen: Komplexester Prozess, höchste Kosten.
- AnwendungenBereiche, die eine extrem hohe Zuverlässigkeit erfordern, wie Luft- und Raumfahrt, Hochgeschwindigkeitszüge und Hauptantriebsumrichter für Fahrzeuge mit neuen Energien (insbesondere für SiC-Leistungsmodule).
4. Referenz zur Auswahl der technischen Parameter
Am Beispiel von Jingci Precision Tech
| Artikel | Standard-Fähigkeit | Anpassbarer Bereich | Erklärung |
|---|
| Material des Substrats | 96 % Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid | Siliziumnitrid, Zirkonoxid, Siliziumkarbid usw. | Wählen Sie anhand der Anforderungen hinsichtlich Wärme, Festigkeit und Kosten. |
| Dicke der Platte | 1,0 mm | 0,25 mm bis 3,0 mm | Dünne Platten tragen zur Gewichtsreduzierung bei, dicke Platten erhöhen die mechanische Festigkeit. |
| Außenlage Cu-Dicke | 100 μm (ca. 3 oz) | 5μm ~ 400μm | DBC/AMB typischerweise ≥100 μm; DPC kann dünner sein. |
| Min. Linienbreite/Abstand | 0,05 mm (DPC-Verfahren) | Hängt vom Prozess ab | Der DPC-Prozess erzielt höchste Präzision. |
| Oberfläche | ENIG (Chemisch Nickel Chemisch Gold) | Tauchversilberung, Tauchverzinnung, ENEPIG usw. | ENIG bietet eine hervorragende Lötbarkeit und Oxidationsbeständigkeit. |
| Via-/Lochprozess | – | Metallisierte Durchkontaktierungen, plattierte und gefüllte Durchkontaktierungen, Randplattierung | Ermöglicht 3D-Verbindungen und spezielle Konstruktionsdesigns. |
5. Breite Anwendungsbereiche
Keramiksubstrate mit hoher Wärmeleitfähigkeit bilden die Grundlage vieler Hightech-Industrien:
- Halbleiter und IC-Verpackung: Bietet eine stabile Betriebsumgebung mit niedrigen Temperaturen für CPUs, GPUs, FPGAs und Speicherchips.
- Leistungselektronik und SiC/GaN-Bauelemente: Used in inverters, converters, UPS; the ideal “carrier” for wide-bandgap semiconductors like SiC/GaN.
- Kfz-Elektronik: Core heat dissipation component in ECUs, motor c...
- 5G-Kommunikation: Base station RF power amplifiers and antenna modules require ceramic substrates for efficient cooling to maintain signal stability.
- Laser & OptoelektronikVerpackungen für Hochleistungs-LEDs, Laserdioden (LD) und Fotodetektoren.
- Luft- und Raumfahrt & VerteidigungElektronische Systeme, die höchste Zuverlässigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber extremen Umgebungsbedingungen erfordern.
6.Zukünftige Entwicklungstrends
- Werkstoff-InnovationEntwicklung neuer Materialien mit höherer Wärmeleitfähigkeit (z. B. Diamant-Verbundkeramik) und besserer CTE-Anpassung.
- Prozessfusion und -verfeinerungKombination der Vorteile verschiedener Verfahren (z. B. DPC+AMB) zur weiteren Verbesserung der Präzision und Zuverlässigkeit von Schaltungen.
- Integration und Modularisierung: Hin zu eingebetteten Komponenten, 3D-Verpackungen (3D-IPAC), um die Systemgröße zu reduzieren und die Leistung zu verbessern.
- Optimierung der Kosten: Senkung der Kosten für hochleistungsfähige Keramiksubstrate durch Massenproduktion und Prozessverbesserungen, Erweiterung ihrer Marktanwendung.
Schlussfolgerung
Keramiksubstrate mit hoher Wärmeleitfähigkeit sind zu unverzichtbaren Komponenten für das Wärmemanagement in Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen geworden. Das richtige Verständnis ihrer Materialeigenschaften und Prozessschwankungen sowie die Auswahl des geeigneten Typs sind für Ingenieure ein entscheidender Schritt bei der Entwicklung leistungsstarker und äußerst zuverlässiger Produkte.