No rápido desenvolvimento da eletrónica de potência, comunicação de alta frequência e tecnologia de semicondutores atualmente, o aumento da densidade de potência e do nível de integração dos componentes eletrónicos tornou gestão térmica um fator essencial que determina o desempenho, a fiabilidade e a vida útil do produto. Os substratos de PCB orgânicos tradicionais (como o FR-4), com a sua baixa condutividade térmica (normalmente <0,5 W/m-K), têm dificuldade em satisfazer as exigências de dissipação de calor dos cenários de alta potência. Neste contexto, substratos cerâmicos de alta condutividade térmica surgiram como uma solução ideal para o arrefecimento eletrónico avançado, graças às suas propriedades globais excecionais.
Os substratos cerâmicos não são um material único, mas uma categoria de substratos de circuitos que utilizam materiais inorgânicos não metálicos como a alumina (Al₂O₃), o nitreto de alumínio (AlN) e o nitreto de silício (Si₃N₄) como camada isolante. As suas vantagens em relação aos substratos tradicionais são fundamentais:
- Excelentes propriedades térmicas:
- Alta condutividade térmica: Ampla gama (24 ~ 200+ W/m-K), permitindo uma rápida transferência de calor dos chips para os dissipadores de calor, reduzindo significativamente a temperatura da junção e melhorando a eficiência e a vida útil do dispositivo.
- Baixo e compatível Coeficiente de expansão térmica (CTE): O CTE da cerâmica é muito próximo ao dos chips semicondutores (como Si, SiC, GaN), reduzindo significativamente a tensão gerada durante o ciclo térmico, evitando rachaduras no chip e fadiga na junta de solda.
- Propriedades elétricas e mecânicas superiores:
- Alta resistência de isolamento: Resiste a falhas de alta tensão, garantindo segurança em aplicações de alta tensão.
- Elevada resistência mecânica: Elevada resistência à flexão, resistência à compressão ≥500 MPa, estruturalmente estável.
- Boa estabilidade química: Resistente à corrosão e à humidade, adequado para ambientes adversos.
- Recursos avançados de circuitos:
- Forte ligação da camada de cobre: Alcança uma ligação firme entre a camada de cobre e a cerâmica (>20 N/mm) através de processos especiais.
- Alta precisão dos circuitos: Suporta circuitos de nível micrométrico (largura/espaçamento mínimo da linha pode chegar a 0,05 mm), atendendo aos requisitos de integração de alta densidade.
2. Comparação dos principais materiais de substrato cerâmico
Diferentes materiais cerâmicos têm o seu próprio foco para atender às diversas necessidades de aplicação. A seguir, apresentamos uma comparação entre os três materiais principais:
| Característica/Parâmetro | 96% Alumina (Al₂O₃) | Nitreto de alumínio (AlN) | Nitreto de silício (Si₃N₄) | Observações/Tendência de aplicação |
|---|
| Condutividade térmica (W/m-K) | 24 – 30 | 170 – 220 | 80 – 90 | O AlN é a escolha preferida para uma condutividade térmica ultra-elevada; o Si₃N₄ oferece um desempenho equilibrado. |
| CTE (×10-⁶/℃) | 6.5 – 8.0 | 4.5 – 5.5 | 2.5 – 3.5 | Si₃N₄ O CTE combina melhor com os chips Si. |
| Resistência mecânica | Elevado | Relativamente alto | Extremamente elevado (Excelente resistência à flexão) | Si₃N₄ oferece a melhor resistência ao choque térmico, ideal para ciclos de temperatura severos. |
| Fator de custo | Rentável | Mais alto | Elevado | Al₂O₃ é a opção mais utilizada, madura e económica. |
| Aplicações típicas | Módulos de alimentação de uso geral, iluminação LED | IGBTs de alta potência, díodos laser (LD), amplificadores de potência RF 5G | Motores para veículos movidos a energia nova, módulos de potência para ambientes extremos | Seleção com base em necessidades de dissipação de calor, requisitos de fiabilidadee orçamento de custos. |
3. Principais processos de fabricação
O processo é fundamental para alcançar a ligação perfeita entre cerâmica e metal. Os três processos principais determinam o limite máximo de desempenho final do substrato.
- Processo DBC (Cobre Ligado Diretamente)
- Processo: A folha de cobre e a superfície cerâmica sofrem fusão eutéctica a alta temperatura (1065~1085°C) numa atmosfera de azoto contendo oxigénio, formando fortes ligações químicas Cu-O.
- Caraterísticas:
- Vantagens: Camada de cobre espessa (tipicamente 100μm~600μm), elevada capacidade de transporte de corrente, excelente condutividade térmica.
- Desafios: Requer um controlo rigoroso da temperatura e da atmosfera; precisão relativamente baixa do circuito (largura/espaçamento da linha normalmente >100μm).
- Aplicações: Módulos de potência de alta corrente e alta dissipação de calor (por exemplo, inversores de veículos elétricos).
- Processo DPC (Cobre Revestido Diretamente)
- Processo: Utiliza processos semicondutores: primeiro, pulveriza uma camada de semente metálica sobre o substrato cerâmico e, em seguida, forma circuitos através de fotolitografia, galvanoplastia e gravação.
- Caraterísticas:
- Vantagens: Precisão do circuito muito elevada (pode atingir o nível de mícron), elevada planicidade da superfície, adequado para cablagens complexas e finas.
- Desafios: A camada de cobre revestida é relativamente fina (normalmente 10μm~100μm), ligeiramente mais fraca para correntes muito elevadas e de custo mais elevado.
- Aplicações: Áreas que exigem alta precisão, como embalagens a laser, RF/micro-ondas, sensores.
- Processo AMB (Soldagem com Metal Ativo)
- Processo: Uma otimização baseada em DBC, utilizando pasta de brasagem contendo elementos ativos (por exemplo, Ti, Zr) para unir cobre e cerâmica em vácuo ou atmosfera inerte.
- Caraterísticas:
- Vantagens: Resistência da ligação ultrapassa em muito DBC, maior fiabilidade, especialmente adequado para nitreto de alumínio (AlN) substratos. Excelente resistência à fadiga térmica.
- Desafios: Processo mais complexo, custo mais elevado.
- Aplicações: Áreas que exigem confiabilidade ultra-alta, como aeroespacial, comboios de alta velocidade e inversores de acionamento principal de veículos movidos a energia nova (especialmente para módulos de potência SiC).
4. Referência para seleção de parâmetros técnicos
Usando a Jingci Precision Tech como exemplo
| Item | Capacidade padrão | Gama personalizável | Explicação |
|---|
| Material do substrato | 96% de alumina, nitreto de alumínio | Nitreto de silício, zircónia, carboneto de silício, etc. | Escolha com base nas necessidades térmicas, de resistência e de custo. |
| Espessura da placa | 1,0 mm | 0,25 mm ~ 3,0 mm | Placas finas contribuem para a leveza; placas espessas aumentam a resistência mecânica. |
| Espessura da camada externa de Cu | 100μm (aprox. 3oz) | 5μm ~ 400μm | DBC/AMB tipicamente ≥100μm; DPC pode ser mais fino. |
| Mín. Largura/espaçamento da linha | 0,05 mm (Processo DPC) | Depende do processo | O processo DPC alcança a mais alta precisão. |
| Acabamento da superfície | ENIG (ouro de imersão em níquel eletrolítico) | Prata por imersão, estanho por imersão, ENEPIG, etc. | O ENIG oferece excelente soldabilidade e resistência à oxidação. |
| Processo Via/Furo | – | Vias metalizadas, vias revestidas e preenchidas, revestimento de bordas | Permite interconexão 3D e projetos estruturais especiais. |
5. Campos de aplicação amplos
Os substratos cerâmicos de alta condutividade térmica são a base de muitas indústrias de alta tecnologia:
- Semicondutores e embalagem de circuitos integrados: Proporciona um ambiente operacional estável e de baixa temperatura para CPUs, GPUs, FPGAs e chips de memória.
- Eletrónica de potência e dispositivos SiC/GaN: Utilizado em inversores, conversores, UPS; o «portador» ideal para semicondutores de banda larga como SiC/GaN.
- Eletrónica automóvel: Componente principal de dissipação de calor em ECUs, controladores de motor, OBCs, LiDAR.
- Comunicação 5GOs amplificadores de potência RF das estações base e os módulos de antena requerem substratos cerâmicos para um arrefecimento eficiente, a fim de manter a estabilidade do sinal.
- Lasers e Optoeletrónica: Embalagem para LEDs de alta potência, díodos laser (LD) e fotodetectores.
- Aeroespacial e Defesa: Sistemas eletrónicos que exigem máxima fiabilidade e resistência a ambientes extremos.
6.Tendências de desenvolvimento futuro
- Inovação de materiais: Desenvolvimento de novos materiais com maior condutividade térmica (por exemplo, cerâmicas compostas de diamante) e melhor correspondência de CTE.
- Fusão e aperfeiçoamento de processos: Combinar as vantagens de diferentes processos (por exemplo, DPC+AMB) para melhorar ainda mais a precisão e a fiabilidade do circuito.
- Integração e modularização: Avançando para componentes incorporados, embalagem 3D (3D-IPAC) para reduzir o tamanho do sistema e melhorar o desempenho.
- Otimização de custos: Reduzir o custo dos substratos cerâmicos de alto desempenho através da produção em massa e melhorias nos processos, ampliando a sua aplicação no mercado.
Conclusão
Os substratos cerâmicos de alta condutividade térmica tornaram-se componentes indispensáveis para a gestão térmica em aplicações de alta potência e alta frequência. Compreender corretamente as propriedades dos materiais e as variações do processo, bem como selecionar o tipo adequado, é um passo fundamental para que os engenheiros possam projetar produtos de alto desempenho e altamente confiáveis.