I dagens snabba utveckling inom kraftelektronik, högfrekvent kommunikation och halvledarteknik har den ökande effekttätheten och integrationsnivån hos elektroniska komponenter gjort att värmehantering en viktig faktor som avgör produktensprestanda, tillförlitlighet och livslängd. Traditionella organiska PCB-substrat (som FR-4),med sin lågavärmeledningsförmåga (vanligtvis<0,5 W/m·K), har svårt att uppfylla kraven på värmeavledning ihög effektsscenarier. I dettasammanhang keramiska substrat med hög värmeledningsförmåga har visat sig vara en idealisk lösning för avancerad elektronisk kylning tack vare sina exceptionella egenskaper.
Keramiska substrat är inte ett enda material utan en kategori av kretskortssubstrat som använder oorganiska icke-metalliska material som aluminiumoxid (Al₂O₃),aluminiumnitrid(AlN) och kiselnitrid (Si₃N₄) somisolerande skikt. Deras fördelar jämfört med traditionellasubstrat är grundläggande:
- Utmärkta termiska egenskaper:
- Hög värmeledningsförmåga: Brett intervall (24 ~200+ W/m·K), vilket möjliggör snabbvärmeöverföring från chip till kylflänsar, vilket avsevärtsänker övergångstemperaturen och förbättrar enhetens effektivitet och livslängd.
- Låg och anpassad värmeutvidgningskoefficient (CTE): Keramikens CTE ligger mycket nära den för halvledarchips (som Si, SiC, GaN), vilket avsevärt minskar den spänning som uppstår under termisk cykling och förhindrar sprickbildning i chip och utmattning av lödpunkter.
- Överlägsna elektriska och mekaniska egenskaper:
- Hög isoleringsstyrka: Tål högspänningsgenombrott, vilket garanterar säkerhet i högspänningsapplikationer.
- Hög mekanisk hållfasthet: Hög böjhållfasthet, tryckhållfasthet ≥500 MPa, strukturellt stabil.
- God kemisk stabilitet: Korrosions- och fuktbeständig, lämplig för tuffa miljöer.
- Avancerade kretsfunktioner:
- Stark kopparskiktsbindning: Uppnår fast bindning mellan kopparskiktet och keramiken (>20 N/mm) genom specialprocesser.
- Hög precision i kretsarna: Stöder kretsar på mikronnivå (minsta linjebredd/avstånd kan nå 0,05 mm), vilket uppfyller kraven på hög integrationsdensitet.
2. Jämförelse av vanliga keramiska substratmaterial
Olika keramiska material har sina egna fokusområden för att möta olika användningsbehov. Nedan följer en jämförelse mellan de tre vanligaste materialen:
| Egenskaper/Parametrar | 96 % aluminiumoxid (Al₂O₃) | Aluminiumnitrid (AlN) | Kiselnitrid (Si₃N₄) | Anmärkningar/Tillämpningstendens |
|---|
| Värmeledningsförmåga (W/m·K) | 24 – 30 | 170 – 220 | 80 – 90 | AlN är det bästa valet för ultrahög värmeledningsförmåga; Si₃N₄ erbjuder balanserad prestanda. |
| CTE (×10⁻⁶/℃) | 6.5 – 8.0 | 4.5 – 5.5 | 2.5 – 3.5 | Si₃N₄ CTE passar bäst till Si-chips. |
| Mekanisk styrka | Hög | Relativt hög | Extremt hög (Utmärkt böjhållfasthet) | Si₃N₄ erbjuder bästa värmechockbeständighet, idealisk för svåra temperaturväxlingar. |
| Kostnadsfaktor | Kostnadseffektivt | Högre | Hög | Al₂O₃ är det mest använda, mogna och ekonomiska alternativet. |
| Typiska tillämpningar | Allmänna strömmoduler, LED-belysning | Hög effekt IGBT, laserdioder (LD), 5G RF-effektförstärkare | Motordrivningar för nya energifordon, kraftmoduler för extrema miljöer | Urval baserat på värmeavledningsbehov, tillförlitlighetskrav, och kostnadsbudget. |
3. Viktiga tillverkningsprocesser
Processen är avgörande för att uppnå perfekt bindning mellan keramik och metall. De tre vanligaste processerna avgör substratets slutliga prestandagräns.
- DBC-process (Direct Bonded Copper)
- Process: Kopparfolie och keramisk yta genomgår eutektisk smältning vid hög temperatur (1065~1085 °C) i en syrehaltig kväveatmosfär, vilket bildar starka Cu-O-kemiska bindningar.
- Egenskaper:
- Fördelar: Tjockt kopparskikt (vanligtvis 100 μm~600 μm), hög strömförande kapacitet, utmärkt värmeledningsförmåga.
- Utmaningar: Kräver strikt kontroll av temperatur och atmosfär; relativt lägre kretsprecision (linjebredd/avstånd vanligtvis >100 μm).
- Tillämpningar: Kraftmoduler med hög ström och hög värmeavledning (t.ex. växelriktare för elfordon).
- DPC-process (Direct Plated Copper)
- Process: Använder halvledarprocesser: först sprutas ett metallfröskikt på det keramiska substratet, sedan formas kretsar genom fotolitografi, galvanisering och etsning.
- Egenskaper:
- Fördelar: Mycket hög kretsprecision (kan nå mikronnivå), hög ytjämnhet, lämplig för komplex och fin kabeldragning.
- Utmaningar: Det pläterade kopparskiktet är relativt tunt (vanligtvis 10 μm–100 μm), något svagare för mycket höga strömstyrkor och dyrare.
- Tillämpningar: Områden som kräver hög precision, såsom laserförpackning, RF/mikrovågor, sensorer.
- AMB-process (aktiv metallhårdlödning)
- Process: En optimering baserad på DBC, där man använder lödpasta som innehåller aktiva element (t.ex. Ti, Zr) för att binda koppar och keramik i vakuum eller inert atmosfär.
- Egenskaper:
- Fördelar: Bindningsstyrka överstiger vida DBC, högre tillförlitlighet, särskilt lämplig för aluminiumnitrid (AlN) substrat. Utmärkt motståndskraft mot termisk utmattning.
- Utmaningar: Mest komplex process, högsta kostnad.
- Tillämpningar: Områden som kräver extremt hög tillförlitlighet, såsom rymdindustri, höghastighetståg och huvuddrivningsomformare för nya energifordon (särskilt för SiC-effektmoduler).
4. Referens för val av tekniska parametrar
Med Jingci Precision Tech som exempel
| Föremål | Standardkapacitet | Anpassningsbart intervall | Förklaring |
|---|
| Substratmaterial | 96 % aluminiumoxid, aluminiumnitrid | Kiselnitrid, zirkoniumoxid, kiselkarbid etc. | Välj utifrån behov av värme, styrka och kostnad. |
| Brädans tjocklek | 1,0 mm | 0,25 mm ~ 3,0 mm | Tunna skivor bidrar till låg vikt, tjocka skivor förbättrar den mekaniska hållfastheten. |
| Ytterlagrets Cu-tjocklek | 100 μm (ca 3 oz) | 5μm ~ 400μm | DBC/AMB är vanligtvis ≥100 μm; DPC kan vara tunnare. |
| Min. Linjebredd/avstånd | 0,05 mm (DPC-process) | Beror på processen | DPC-processen uppnår högsta precision. |
| Ytfinish | ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) | Immersion Silver, Immersion Tin, ENEPIG, etc. | ENIG ger utmärkt lödbarhet och oxidationsbeständighet. |
| Via/hålprocess | – | Metalliserade via, pläterade och fyllda via, kantplätering | Möjliggör 3D-sammankoppling och speciella konstruktionslösningar. |
5. Breda tillämpningsområden
Keramiska substrat med hög värmeledningsförmåga utgör grunden för många högteknologiska industrier:
- Halvledare och IC-förpackningar: Ger en stabil driftsmiljö med låg temperatur för CPU:er, GPU:er, FPGA:er och minneschips.
- Kraftelektronik och SiC/GaN-komponenter: Används i växelriktare, omvandlare, UPS; den idealiska "bäraren" för bredbandiga halvledare som SiC/GaN.
- Elektronik för fordonsindustrin: Kärnkomponent för värmeavledning i ECU:er, motorstyrenheter, OBC:er, LiDAR.
- 5G-kommunikation: Basstationens RF-effektförstärkare och antennmoduler kräver keramiska substrat för effektiv kylning för att upprätthålla signalstabiliteten.
- Lasrar och optoelektronik: Förpackningar för högeffekts-LED, laserdioder (LD) och fotodetektorer.
- Flyg- och rymdindustrin samt försvar: Elektroniska system som kräver högsta tillförlitlighet och motståndskraft mot extrema miljöer.
6.Framtida utvecklingstrender
- Materialinnovation: Utveckling av nya material med högre värmeledningsförmåga (t.ex. diamantkompositkeramik) och bättre CTE-anpassning.
- Processfusion och förfining: Kombinera fördelarna med olika processer (t.ex. DPC+AMB) för att ytterligare förbättra kretsens precision och tillförlitlighet.
- Integration och modularisering: Övergång till inbyggda komponenter, 3D-förpackningar (3D-IPAC) för att minska systemstorleken och förbättra prestandan.
- Kostnadsoptimering: Minska kostnaden för högpresterande keramiska substrat genom massproduktion och processförbättringar, vilket breddar deras marknadstillämpning.
Slutsats
Keramiska substrat med hög värmeledningsförmåga har blivit oumbärliga komponenter för värmehantering i högfrekventa applikationer med hög effekt. Att korrekt förstå deras materialegenskaper och processvariationer samt välja rätt typ är ett viktigt steg för ingenjörer som vill konstruera högpresterande och mycket tillförlitliga produkter.