In de snelle ontwikkeling van vermogenselektronica, hoogfrequente communicatie en halfgeleidertechnologie van vandaag hebben de toenemende vermogensdichtheid en integratiegraad van elektronische componenten ervoor gezorgd dat thermisch beheer een belangrijke factor die bepalend is voor de prestaties, betrouwbaarheid en levensduur van een product. Traditionele organische PCB-substraten (zoals FR-4), met hun lage thermische geleidbaarheid (doorgaans <0,5 W/m·K), hebben moeite om te voldoen aan de warmteafvoereisen van scenario's met een hoog vermogen. In deze context keramische substraten met hoge thermische geleidbaarheid zijn dankzij hun uitzonderlijke algemene eigenschappen uitgegroeid tot een ideale oplossing voor geavanceerde elektronische koeling.
Keramische substraten zijn geen enkel materiaal, maar een categorie van circuitsubstraten waarbij anorganische niet-metalen materialen zoals aluminiumoxide (Al₂O₃), aluminiumnitride (AlN) en siliciumnitride (Si₃N₄) als isolerende laag worden gebruikt. Hun voordelen ten opzichte van traditionele substraten zijn fundamenteel:
- Uitstekende thermische eigenschappen:
- Hoge thermische geleidbaarheid: Breed bereik (24 ~ 200+ W/m·K), waardoor snelle warmteoverdracht van chips naar koellichamen mogelijk is, de junctietemperatuur aanzienlijk wordt verlaagd en de efficiëntie en levensduur van het apparaat worden verbeterd.
- Lage en aangepaste thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE): De CTE van keramiek ligt zeer dicht bij die van halfgeleiderchips (zoals Si, SiC, GaN), waardoor de spanning die tijdens thermische cycli wordt gegenereerd aanzienlijk wordt verminderd en scheuren in de chip en vermoeidheid van de soldeerverbindingen worden voorkomen.
- Superieure elektrische en mechanische eigenschappen:
- Hoge isolatiesterkte: Bestand tegen hoogspanningsdoorbraak, waardoor veiligheid bij hoogspanningstoepassingen wordt gegarandeerd.
- Hoge mechanische sterkte: Hoge buigsterkte, druksterkte ≥500 MPa, structureel stabiel.
- Goede chemische stabiliteit: Bestand tegen corrosie en vocht, geschikt voor veeleisende omgevingen.
- Geavanceerde circuitmogelijkheden:
- Sterke koperlaagverbinding: Bereikt een stevige hechting tussen de koperlaag en keramiek (>20 N/mm) door middel van speciale processen.
- Hoge precisie van schakelingen: Ondersteunt circuits op micronniveau (minimale lijnbreedte/afstand kan 0,05 mm bedragen), waardoor wordt voldaan aan de eisen voor integratie met hoge dichtheid.
2. Vergelijking van gangbare keramische substraatmaterialen
Verschillende keramische materialen hebben hun eigen focus om aan diverse toepassingsbehoeften te voldoen. Hieronder volgt een vergelijking van de drie belangrijkste materialen:
| Kenmerk/Parameter | 96% aluminiumoxide (Al₂O₃) | Aluminiumnitride (AlN) | Siliciumnitride (Si₃N₄) | Opmerkingen/Toepassingstendens |
|---|
| Thermische geleidbaarheid (W/m·K) | 24 – 30 | 170 – 220 | 80 – 90 | AlN is de voorkeurskeuze voor ultrahoge thermische geleidbaarheid; Si₃N₄ biedt evenwichtige prestaties. |
| CTE (×10⁻⁶/℃) | 6.5 – 8.0 | 4.5 – 5.5 | 2.5 – 3.5 | Si₃N₄ CTE past het beste bij Si-chips. |
| Mechanische sterkte | Hoog | Relatief hoog | Extreem hoog (Uitstekende buigsterkte) | Si₃N₄ biedt de beste thermische schokbestendigheid, ideaal voor extreme temperatuurschommelingen. |
| Kostenfactor | Kosteneffectief | Hoger | Hoog | Al₂O₃ is de meest gebruikte, volwassen en economische optie. |
| Typische toepassingen | Universele voedingsmodules, LED-verlichting | Krachtige IGBT's, laserdiodes (LD), 5G RF-vermogensversterkers | Motoraandrijvingen voor nieuwe energievoertuigen, vermogensmodules voor extreme omgevingen | Selectie op basis van warmteafvoerbehoeften, betrouwbaarheidseisenen kostenbegroting. |
3. Belangrijkste productieprocessen
Het proces is essentieel voor het bereiken van de perfecte hechting tussen keramiek en metaal. De drie gangbare processen bepalen de uiteindelijke prestatiegrens van het substraat.
- DBC-proces (Direct Bonded Copper)
- ProcesKoperfolie en keramisch oppervlak ondergaan eutectisch smelten bij hoge temperatuur (1065~1085 °C) in een zuurstofhoudende stikstofatmosfeer, waarbij sterke Cu-O chemische bindingen worden gevormd.
- Kenmerken:
- Voordelen: Dikke koperen laag (doorgaans 100 μm~600 μm), hoge stroomvoerende capaciteit, uitstekende thermische geleidbaarheid.
- Uitdagingen: Vereist strikte controle van temperatuur en atmosfeer; relatief lagere circuitprecisie (lijnbreedte/afstand doorgaans >100 μm).
- Toepassingen: Vermogensmodules met hoge stroomsterkte en hoge warmteafvoer (bijv. omvormers voor elektrische voertuigen).
- DPC-proces (Direct Plated Copper)
- Proces: Maakt gebruik van halfgeleiderprocessen: eerst wordt een metalen zaadlaag op het keramische substraat gesputterd, waarna circuits worden gevormd door middel van fotolithografie, galvaniseren en etsen.
- Kenmerken:
- Voordelen: Zeer hoge circuitnauwkeurigheid (kan micronniveau bereiken), hoge oppervlaktevlakheid, geschikt voor complexe en fijne bedrading.
- Uitdagingen: De geplateerde koperlaag is relatief dun (doorgaans 10 μm tot 100 μm), iets minder sterk bij zeer hoge stroomsterktes en duurder.
- Toepassingen: Gebieden die een hoge precisie vereisen, zoals laserverpakkingen, RF/microgolf, sensoren.
- AMB-proces (Active Metal Brazing)
- Proces: Een optimalisatie op basis van DBC, waarbij soldeerpasta met actieve elementen (bijv. Ti, Zr) wordt gebruikt om koper en keramiek in een vacuüm of inerte atmosfeer te verbinden.
- Kenmerken:
- Voordelen: Hechtsterkte ver overtreft DBC, hogere betrouwbaarheid, bijzonder geschikt voor aluminiumnitride (AlN) substraten. Uitstekende weerstand tegen thermische vermoeidheid.
- Uitdagingen: Meest complexe proces, hoogste kosten.
- Toepassingen: Sectoren die een zeer hoge betrouwbaarheid vereisen, zoals lucht- en ruimtevaart, hogesnelheidstreinen en omvormers voor de hoofd aandrijving van nieuwe energievoertuigen (met name voor SiC-vermogensmodules).
4. Referentie voor de selectie van technische parameters
Jingci Precision Tech als voorbeeld
| Item | Standaardcapaciteit | Aanpasbaar bereik | Uitleg |
|---|
| Substraatmateriaal | 96% aluminiumoxide, aluminiumnitride | Siliciumnitride, zirkoniumoxide, siliciumcarbide, enz. | Kies op basis van thermische eigenschappen, sterkte en kosten. |
| Dikte printplaat | 1,0 mm | 0,25 mm ~ 3,0 mm | Dunne platen dragen bij aan een laag gewicht; dikke platen verbeteren de mechanische sterkte. |
| Dikte buitenste laag Cu | 100 μm (ongeveer 3 oz) | 5μm ~ 400μm | DBC/AMB doorgaans ≥100 μm; DPC kan dunner zijn. |
| Min. Lijndikte/afstand | 0,05 mm (DPC-proces) | Hangt af van het proces | Het DPC-proces bereikt de hoogste precisie. |
| Afwerking oppervlak | ENIG (Elektrolytisch Nikkel Onderdompelingsgoud) | Onderdompelingszilver, onderdompelingstin, ENEPIG, enz. | ENIG biedt uitstekende soldeerbaarheid en oxidatiebestendigheid. |
| Via/gatproces | – | Gemetalliseerde via's, geplateerde en gevulde via's, randplating | Maakt 3D-interconnectie en speciale structurele ontwerpen mogelijk. |
5. Brede toepassingsgebieden
Keramische substraten met een hoge thermische geleidbaarheid vormen de basis van veel hightechindustrieën:
- Halfgeleiders en IC-verpakkingen: Biedt een stabiele, lage temperatuur werkomgeving voor CPU's, GPU's, FPGA's en geheugenchips.
- Vermogenselektronica en SiC/GaN-apparaten: Gebruikt in omvormers, converters, UPS; de ideale 'drager' voor halfgeleiders met een brede bandkloof, zoals SiC/GaN.
- Automobielelektronica: Kerncomponent voor warmteafvoer in ECU's, motorcontrollers, OBC's, LiDAR.
- 5G-communicatie: RF-vermogensversterkers en antennemodules van basisstations vereisen keramische substraten voor efficiënte koeling om de signaalstabiliteit te behouden.
- Lasers en opto-elektronicaVerpakkingen voor krachtige LED's, laserdiodes (LD) en fotodetectoren.
- Luchtvaart & ruimtevaart; DefensieElektronische systemen die uiterste betrouwbaarheid en weerstand tegen extreme omstandigheden vereisen.
6.Toekomstige ontwikkelingstrends
- Materiaalinnovatie: Ontwikkeling van nieuwe materialen met een hogere thermische geleidbaarheid (bijvoorbeeld diamantcomposietkeramiek) en een betere CTE-afstemming.
- Procesfusie en verfijning: De voordelen van verschillende processen (bijv. DPC+AMB) combineren om de precisie en betrouwbaarheid van circuits verder te verbeteren.
- Integratie en modularisatie: Overstappen op ingebouwde componenten, 3D-verpakkingen (3D-IPAC) om de systeemgrootte te verkleinen en de prestaties te verbeteren.
- Kostenoptimalisatie: Vermindering van de kosten van hoogwaardige keramische substraten door massaproductie en procesverbeteringen, waardoor hun markttoepassing wordt verbreed.
Conclusie
Keramische substraten met een hoge thermische geleidbaarheid zijn onmisbare componenten geworden voor thermisch beheer in toepassingen met een hoog vermogen en hoge frequentie. Een goed begrip van hun materiaaleigenschappen en procesvariaties, en het selecteren van het juiste type, is een cruciale stap voor ingenieurs om hoogwaardige, zeer betrouwbare producten te ontwerpen.