Nykypäivän tehoelektroniikan, suurtaajuusviestinnän ja puolijohdeteknologian nopeassa kehityksessä elektronisten komponenttien kasvava tehotiheys ja integraatiotaso ovat tehneet lämmönhallinta tuotteen suorituskyvyn, luotettavuuden ja käyttöiän määrittävä keskeinen tekijä. Perinteiset orgaaniset PCB-substraatit (kuten FR-4), joiden lämmönjohtavuus on alhainen (tyypillisesti <0,5 W/m·K), eivät pysty vastaamaan suuritehoisten sovellusten lämmönpoistovaatimuksiin. Tässä yhteydessä korkean lämmönjohtavuuden omaavat keraamiset substraatit ovat osoittautuneet ihanteelliseksi ratkaisuksi edistyneeseen elektroniikan jäähdytykseen niiden poikkeuksellisten yleisten ominaisuuksien ansiosta.
Keraamiset substraatit eivät ole yksi materiaali, vaan piirilevyjen substraattien luokka, jossa eristekerroksena käytetään epäorgaanisia ei-metallisia materiaaleja, kuten alumiinioksidia (Al₂O₃), alumiinitriidia (AlN) ja piinitridiä (Si₃N₄). Niiden edut perinteisiin substraatteihin verrattuna ovat perustavanlaatuisia:
- Erinomaiset lämpöominaisuudet:
- Korkea lämmönjohtavuus: Laaja alue (24 ~ 200+ W/m·K), joka mahdollistaa nopean lämmönsiirron siruista jäähdytyselementteihin, alentaa merkittävästi liitoskohdan lämpötilaa ja parantaa laitteen tehokkuutta ja käyttöikää.
- Alhainen ja sovitettu lämpölaajenemiskerroin (CTE): Keramiikan CTE on hyvin lähellä puolijohdesirujen (kuten Si, SiC, GaN) CTE:tä, mikä vähentää huomattavasti lämpösyklien aikana syntyvää rasitusta ja estää sirujen halkeilua ja juotosliitosten väsymistä.
- Erinomaiset sähköiset ja mekaaniset ominaisuudet:
- Korkea eristyslujuus: Kestää korkeajännitteen rikkoutumisen, mikä takaa turvallisuuden korkeajännitesovelluksissa.
- Korkea mekaaninen lujuus: Korkea taivutuslujuus, puristuslujuus ≥500 MPa, rakenteellisesti vakaa.
- Hyvä kemiallinen stabiilisuus: Korroosiota ja kosteutta kestävä, sopii vaativiin olosuhteisiin.
- Edistykselliset piirilevyominaisuudet:
- Vahva kuparikerroksen liimaus: Saavuttaa erityisprosessien avulla lujan sidoksen kuparikerroksen ja keraamisen kerroksen välillä (>20 N/mm).
- Korkea piirien tarkkuus: Tukee mikronitason piirejä (minimi viivan leveys/väli voi olla 0,05 mm), mikä täyttää tiheän integroinnin vaatimukset.
2. Tärkeimpien keraamisten substraattimateriaalien vertailu
Eri keraamisilla materiaaleilla on omat erityispiirteensä, jotka vastaavat erilaisiin käyttötarpeisiin. Seuraavassa on vertailu kolmesta yleisimmästä materiaalista:
| Ominaisuus/parametri | 96 % alumiinioksidi (Al₂O₃) | Alumiininitridi (AlN) essSuunnitteluohjeet: | Pii-nitridi (Si₃N₄) | Huomautukset/Soveltuvuus |
|---|
| Lämmönjohtavuus (W/m·K) | 24 – 30 | 170 – 220 | 80 – 90 | AlN on ensisijainen valinta erittäin korkean lämmönjohtavuuden vuoksi; Si₃N₄ tarjoaa tasapainoisen suorituskyvyn. |
| CTE (×10⁻⁶/℃) | 6.5 – 8.0 | 4.5 – 5.5 | 2.5 – 3.5 | Si₃N₄ CTE sopii parhaiten Si-siruihin. |
| Mekaaninen lujuus | Korkea | Suhteellisen korkea | Erittäin korkea (Erinomainen taivutuslujuus) | Si₃N₄ tarjoaa parhaan lämpöshokin kestävyyden, mikä on ihanteellista ankarissa lämpötilavaihteluissa. |
| Kustannustekijä | Kustannustehokas | Korkeampi | Korkea | Al₂O₃ on yleisimmin käytetty, kypsä ja taloudellinen vaihtoehto. |
| Tyypilliset sovellukset | Yleiskäyttöiset tehomoduulit, LED-valaistus | Suuritehoiset IGBT-transistorit, laserdiodit (LD), 5G-taajuuden tehovahvistimet | Uuden energian ajoneuvojen moottorikäyttölaitteet, tehomoduulit äärimmäisiin olosuhteisiin | Valinta perustuu lämmönpoistotarpeet, luotettavuusvaatimuksetja kustannusarvio. |
3. Keskeiset valmistusprosessit
Prosessi on avainasemassa, kun halutaan saavuttaa täydellinen sidos keraamisen materiaalin ja metallin välillä. Kolme pääasiallista prosessia määrittävät alustan lopullisen suorituskyvyn ylärajan.
- DBC (suoraan liimattu kupari) -prosessi
- Prosessi: Kuparifolio ja keraaminen pinta sulavat eutektisesti korkeassa lämpötilassa (1065–1085 °C) happea sisältävässä typpiatmosfäärissä muodostaen vahvoja Cu-O-kemiallisia sidoksia.
- Ominaisuudet:
- Edut: Paksu kuparikerros (tyypillisesti 100 μm ~ 600 μm), suuri virrankantokyky, erinomainen lämmönjohtavuus.
- Haasteet: Vaatii tarkkaa lämpötilan ja ilmakehän hallintaa; suhteellisen alhainen piirin tarkkuus (viivan leveys/väli tyypillisesti >100μm).
- Sovellukset: Suurvirtaiset, suurta lämpöä haihduttavat tehomoduulit (esim. sähköajoneuvojen invertterit).
- DPC (suora kuparipinnoitus) -prosessi
- Prosessi: Käyttää puolijohdeprosesseja: ensin metallinen siemenkerros ruiskutetaan keraamiselle alustalle, sitten muodostetaan piirejä fotolitografian, galvanoinnin ja etsauksen avulla.
- Ominaisuudet:
- Edut: Erittäin korkea piirien tarkkuus (voi saavuttaa mikronitason), korkea pinnan tasaisuus, sopii monimutkaisiin ja hienoihin johdotuksiin.
- Haasteet: Pinnoitettu kuparikerros on suhteellisen ohut (tyypillisesti 10 μm–100 μm), hieman heikompi erittäin suurille virroille ja kalliimpi.
- Sovellukset: Korkeaa tarkkuutta vaativat alat, kuten laserpakkaus, RF/mikroaaltotekniikka, anturit.
- AMB (aktiivinen metallijuotos) -prosessi
- Prosessi: DBC:hen perustuva optimointi, jossa käytetään aktiivisia elementtejä (esim. Ti, Zr) sisältävää juotospastaa kuparin ja keraamisen materiaalin liittämiseen tyhjiössä tai inertissä ilmakehässä.
- Ominaisuudet:
- Edut: Sidoksen lujuus ylittää huomattavasti DBC, korkeampi luotettavuus, erityisen sopiva alumiinitridi (AlN) substraatit. Erinomainen kestävyys lämpöväsymystä vastaan.
- Haasteet: Monimutkaisin prosessi, korkeimmat kustannukset.
- Sovellukset: Erittäin korkeaa luotettavuutta vaativat alat, kuten ilmailu- ja avaruusteollisuus, suurnopeusjunat ja uusien energiamuotojen ajoneuvojen päämoottorin invertterit (erityisesti SiC-tehomoduulit).
4. Teknisten parametrien valintaohjeet
Esimerkkinä Jingci Precision Tech
| Kohde | Vakiokapasiteetti | Mukautettava alue | Selitys |
|---|
| Alustan materiaali | 96 % alumiinioksidi, alumiinitrioksidi | Pii-nitridi, zirkoniumoksidi, piikarbidi jne. | Valitse lämpö-, lujuus- ja kustannusvaatimusten perusteella. |
| Levyn paksuus | 1.0mm | 0,25 mm ~ 3,0 mm | Ohut levyt helpottavat keveyttä; paksut levyt parantavat mekaanista lujuutta. |
| Ulkokerroksen kuparin paksuus | 100 μm (noin 3 oz) | 5 μm ~ 400 μm | DBC/AMB tyypillisesti ≥100μm; DPC voi olla ohuempi. |
| Min. Viivan leveys/välit | 0,05 mm (DPC-prosessi) | Riippuu prosessista | DPC-prosessi saavuttaa korkeimman tarkkuuden. |
| Pinnan viimeistely | ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) | Upotus hopea, upotus tina, ENEPIG jne. | ENIG tarjoaa erinomaisen juotettavuuden ja hapettumiskestävyyden. |
| Via/reikäprosessi | – | Metalloidut läpiviennit, pinnoitetut ja täytetyt läpiviennit, reunapinnoitus | Mahdollistaa 3D-liitännät ja erityiset rakenteelliset ratkaisut. |
5. Laajat sovellusalueet
Korkean lämmönjohtavuuden omaavat keraamiset substraatit ovat monien korkean teknologian teollisuudenalojen perusta:
- Puolijohteet ja IC-pakkaukset: Tarjoaa vakaan, matalan lämpötilan toimintaympäristön CPU:ille, GPU:ille, FPGA:ille ja muistisiruille.
- Tehoelektroniikka ja SiC/GaN-komponentit: Käytetään inverttereissä, muuntajissa, UPS-laitteissa; ihanteellinen "kantaja" laajakaistaisille puolijohteille, kuten SiC/GaN.
- Autoteollisuuden elektroniikka: ECU:iden, moottorin ohjainten, OBC:iden ja LiDAR:ien ydinalueen lämmönpoistokomponentti.
- 5G-viestintä: Tukiaseman RF-tehovahvistimet ja antennimoduulit vaativat keraamisia substraatteja tehokkaaseen jäähdytykseen signaalin vakauden ylläpitämiseksi.
- Laserit ja optoelektroniikka: Pakkaus suuritehoisille LEDeille, laserdiodeille (LD) ja valodetektoreille.
- Ilmailu- ja avaruusala; puolustus: Elektroniset järjestelmät, jotka vaativat äärimmäistä luotettavuutta ja kestävyyttä äärimmäisissä olosuhteissa
6.Tulevaisuuden kehityssuuntaukset
- Materiaali-innovaatiot: Kehitetään uusia materiaaleja, joilla on parempi lämmönjohtavuus (esim. timanttikomposiittikeraamit) ja parempi CTE-sopivuus.
- Prosessien yhdistäminen ja hienosäätö: Eri prosessien (esim. DPC+AMB) etujen yhdistäminen piirin tarkkuuden ja luotettavuuden parantamiseksi entisestään.
- Integraatio ja modulaarisuus: Siirtyminen kohti sulautettuja komponentteja, 3D-pakkaus (3D-IPAC) järjestelmän koon pienentämiseksi ja suorituskyvyn parantamiseksi.
- Kustannusten optimointi: Suorituskykyisten keraamisten substraattien kustannusten alentaminen massatuotannon ja prosessien parantamisen avulla, niiden markkinasovellusten laajentaminen.
Päätelmä
Korkean lämmönjohtavuuden omaavat keraamiset substraatit ovat tulleet välttämättömiksi lämmönhallinnan komponenteiksi suuritehoisissa, korkeataajuisissa sovelluksissa. Niiden materiaaliominaisuuksien ja prosessivaihteluiden oikea ymmärtäminen sekä sopivan tyypin valinta ovat kriittisiä vaiheita insinööreille, jotka suunnittelevat korkean suorituskyvyn ja luotettavuuden tuotteita.