Tecnología

El sustrato cerámico se refiere a una placa de proceso especial en la que a una lámina de cobre de temperatura muy alta se une directamente a la superficie (de un solo lado o de dos lados) de Al₂El O₃ o sustrato cerámico AlN. El sustrato compuesto ultradelgado hecho tiene excelentes propiedades de aislamiento eléctrico, alta conductividad térmica, excelente soldabilidad y alta resistencia a la adhesión, y puede grabarse en varios patrones como una placa de PCB, y tiene una gran capacidad de transporte de corriente. Por lo tanto, los sustratos cerámicos se han convertido en el material básico para la tecnología de estructura de circuitos electrónicos de alta potencia y la tecnología de interconexión.

Toyota Prius’ La primera generación de IGBT matriz y solución de enfriamiento de agua de fondo de sustrato cerámico.

El sustrato cerámico trae el nuevo desarrollo de la industria de aplicaciones de disipación de calor. Debido a la característica de su disipación de calor y la ventaja de alta disipación de calor, baja resistencia al calor, largo tiempo de uso y resistencia a la tensión, con la mejora de la técnica y la mejora del equipo y la racionalización acelerada del precio del producto, el área de aplicación en la industria LED se amplía, como la luz indicadora de productos domésticos, lámparas de automóviles, lámparas de calle y carteles publicitarios grandes al aire libre, etc. El desarrollo exitoso de sustratos cerámicos proporciona mejores servicios para la iluminación interior y productos de iluminación exterior, y amplía las áreas de mercado futuras de la industria LED.

Especificaciones

• Fuerte tensión mecánica, forma estable; alta resistencia, alta conductividad térmica, aislamiento alto; fuerte fuerza de unión, anticorrosión.
• Buen rendimiento del ciclo térmico, con hasta 50.000 ciclos, alta fiabilidad
• Puede hacer grabado gráfico en él, que es lo mismo que la placa de PCB o (sustrato IMS), sin contaminación y sin dañino
• Temperatura de uso: -55 ℃ -850 ℃; el coeficiente de expansión térmica está cerca del silicio, simplifica el proceso de producción del módulo de potencia

Tipo

Ⅰ. Dividir por material

1. Óxido de aluminio (Al)₂El O₃)

Al₂El O₃ El sustrato es el material básico más común en la industria eléctrica. En materia de rendimiento mecánico, térmico y eléctrico, en comparación con la mayoría de las otras cerámicas de óxido, Al₂El O₃ El sustrato tiene alta resistencia y estabilidad química, y debido a que su fuente de materia prima es abundante, se puede usar para diversas fabricaciones técnicas y se puede hacer como diferentes formas. Algunas producciones de Al₂El O₃ los sustratos pueden aceptar personalizados tridimensionales.

2. Óxido de berilio (BeO)

Tiene una mayor conductividad térmica que el aluminio, y se utiliza en aplicaciones que requieren una alta conductividad térmica. Pero cuando la temperatura es superior a 300 ℃, la conductividad térmica disminuye rápidamente. Lo más importante es que su toxicidad limita su desarrollo.

El componente principal de la cerámica de óxido de berilio es BeO. Principalmente se utiliza para sustrato eléctrico integrado a gran escala, tubo láser de gas de gran potencia, carcasa del radiador del transistor, ventana de salida de microondas y moderador de neutrones, etc.

BeO puro pertenece al sistema de cristales cúbicos. Su densidad es de 3,03 g/cm3, y el punto de fusión es de 2570 ℃. Tiene una alta conductividad térmica, casi igual al cobre y al aluminio puro. El coeficiente de conductividad térmica λ es 200-250W/(m.K). Además, tiene una buena resistencia a los choques térmicos, su constante dieléctrica es de 6 ~ 7 (0,1 MHz). El valor tangente del ángulo de pérdida media es de aproximadamente 4 x 10-4 (0,1 GHz). El alto nivel tóxico de polvo es la mayor desventaja, lo que hace que las heridas de contacto sean difíciles de curar. Está hecho de polvo de óxido de berilio con alúmina y otros ingredientes por sinterización a alta temperatura. Se necesitan buenas medidas de protección para producir la cerámica. La volatilidad del óxido de berilio se incrementa en medios de alta temperatura que contienen vapor de agua. La volatilización comienza a 1000 ℃, y la cantidad de volatilización aumenta con el aumento de la temperatura, lo que trae dificultades a la producción. Algunos países ya no lo producen. Pero el rendimiento de producción es excelente, aunque el precio es más alto, todavía hay una gran cantidad requerida.

3. nitruro de aluminio (AlN)

Para AIN necesitamos prestar atención a los dos rendimientos importantes: uno es el alto coeficiente de conductividad térmica, el otro es el coeficiente de expansión que coincide con Si. Su desventaja es que incluso una capa de óxido muy delgada en la superficie tendrá un efecto en el coeficiente de conductividad térmica. Sólo mediante el estricto control de los materiales y el proceso se pueden producir buenos sustratos AIN.

Considerando las razones anteriores, podemos saber que las cerámicas de óxido de aluminio son ampliamente utilizadas debido a su rendimiento integral superior en los campos de la microelectrónica, electrónica de potencia, microelectrónica mixta, módulos de potencia y etc.

4. Nitruro de silicio (Si3N4)

La resistencia a la flexión del nuevo sustrato cerámico hecho de nitruro de silicio es mayor que la del sustrato hecho de Al2O3 y AlN. La resistencia a la fractura de Si3N4 incluso supera la de las cerámicas dopadas con zirconia. La extensión de la vida útil es crítica para todas las aplicaciones de módulos de potencia donde las obleas de semiconductores grandes están unidas directamente a un sustrato, y es especialmente importante para las obleas de SiC y GaN con temperaturas de unión más altas (hasta 250 °C). La conductividad térmica del sustrato de nitruro de silicio curamik® es de 90 W/mK, lo que supera el valor medio de otros sustratos en el mercado. La resistencia mecánica del nuevo sustrato nos permite utilizar una capa cerámica más delgada, lo que reduce la resistencia térmica, aumenta la densidad de potencia y reduce los costos del sistema. En comparación con los sustratos Al2O3 y AlN, su resistencia a la flexión es mucho mejor, y los diseñadores se beneficiarán de esto. La resistencia a la fractura del nitruro de silicio incluso supera la de las cerámicas dopadas con zirconia, alcanzando 6,5-7 MPa/√m a una conductividad térmica de 90 W/mK.

Ⅱ. Según el proceso de fabricación

1. HTCC (cerámica cocendida a alta temperatura)

HTCC también se llama cerámica multicapa co-encendida a alta temperatura. El proceso de fabricación es muy similar al de LTCC. La principal diferencia es que el polvo cerámico de HTCC no se añade al material de vidrio. Por lo tanto, HTCC debe secarse y endurecerse a una alta temperatura de 1300 ~ 1600 ℃. El embrión verde se perfora a través de agujeros, y los agujeros se llenan e imprimen con tecnología de serigrafía. Debido a la alta temperatura de cocendimiento, la elección de materiales conductores metálicos es limitada. El material principal es alto punto de fusión, pero los metales conductores tales como tungsteno, molibdeno, manganeso, etc., que tienen propiedades pobres, finalmente se laminan y sinterizan.

2. LTCC (cerámica cocendida a baja temperatura)

LTCC también se conoce como sustrato cerámico multicapa cocendido a baja temperatura. Esta tecnología debe primero mezclar polvo de alúmina inorgánica y aproximadamente el 30% ~ 50% de material de vidrio con un aglutinante orgánico para hacerlo mezclar uniformemente en una suspensión similar a lodo, y luego usar un raspador para raspar la suspensión en una lámina, y luego a través de un proceso de secado para formar un embrión verde delgado, y luego perforar el orificio vía de acuerdo con el diseño de cada capa, ya que la transmisión de señal de cada capa, el circuito interno de la tecnología de impresión de pantalla LTCC se utiliza para llenar los orificios y los circuitos de impresión en el embrión verde. Los electrodos internos y externos pueden estar hechos de plata, cobre, oro y otros metales. Finalmente, cada capa se lamina y se coloca a 850 ~ 900 ℃. La sinterización y la formación en el horno de sinterización pueden completarse.

3. DBC (cobre unido directamente)

La tecnología de recubrimiento de cobre directo utiliza cobre’ Solución eutéctica que contiene oxígeno para aplicar directamente cobre a la cerámica. El principio básico es introducir una cantidad apropiada de oxígeno entre el cobre y la cerámica antes o durante el proceso de unión, a 1065 ℃ ~ 1083 En el intervalo de ℃, el cobre y el oxígeno forman una solución eutéctica de Cu-O. La tecnología DBC utiliza la solución eutéctica para reaccionar químicamente con el sustrato cerámico para formar la fase CuAlO2 o CuAl2O4, y por otro lado para infiltrar la lámina de cobre para lograr la combinación del sustrato cerámico y la placa de cobre.

Superioridad

◆ El coeficiente de expansión térmica del sustrato cerámico es cercano al del chip de silicio, lo que puede ahorrar rodajas de Mo de capa de transición, ahorrar mano de obra, ahorrar materiales y reducir costos;

◆ Reducir la capa de soldadura, reducir la resistencia térmica, reducir los huecos y mejorar el rendimiento;

◆ La anchura de la línea de la lámina de cobre de 0,3 mm de grosor es solo el 10% de la placa de circuito impreso ordinario bajo la misma capacidad de carga de corriente;

◆ Excelente conductividad térmica, por lo que el paquete de chip es muy compacto, por lo que la densidad de potencia se aumenta en gran medida y la fiabilidad del sistema y el dispositivo se mejora;

◆ El sustrato cerámico ultradelgado (0,25 mm) puede reemplazar al BeO sin problemas de toxicidad ambiental;

◆ Gran capacidad de carga de corriente, corriente 100A pasa continuamente a través del cuerpo de cobre de 1 mm de ancho y 0,3 mm de grosor, y el aumento de temperatura es de aproximadamente 17 ℃; La corriente de 100A pasa continuamente a través del cuerpo de cobre de 2 mm de ancho y 0,3 mm de grosor, y el aumento de temperatura es solo de aproximadamente 5 ℃;

◆ Baja resistencia térmica, la resistencia térmica de un sustrato cerámico de 10 x 10 mm es de 0,31 K/W para un sustrato cerámico de 0,63 mm de grosor, la resistencia térmica de un sustrato cerámico de 0,38 mm de grosor es de 0,19 K/W y la resistencia térmica de un sustrato cerámico de 0,25 mm de grosor La resistencia térmica es de 0,14 K/W.

◆ El alto aislamiento soporta la tensión para garantizar la seguridad personal y la protección del equipo.

◆ Se pueden realizar nuevos métodos de envasado y montaje, de modo que el producto esté altamente integrado y se reduzca el tamaño.

Requisitos de rendimiento

(1) Propiedades mecánicas

Tiene una resistencia mecánica suficientemente alta, además de transportar componentes, también se puede usar como miembro de soporte; tiene buena procesabilidad y alta precisión dimensional; es fácil realizar multicapa;

La superficie es lisa, sin deformación, flexión, microgrietas, etc.

(2) Propiedades eléctricas

Alta resistencia al aislamiento y tensión de descomposición del aislamiento;

Constante dieléctrica baja;

Baja pérdida dieléctrica;

Rendimiento estable en condiciones de alta temperatura y alta humedad para garantizar la fiabilidad.

(3) Propiedades térmicas

Alta conductividad térmica;

El coeficiente de expansión térmica se empareja con materiales relacionados (especialmente el coeficiente de expansión térmica de Si debe emparejarse);

Excelente resistencia al calor.

(4) Otras propiedades

Buena estabilidad química; fácil de metalizar, fuerte adhesión al patrón del circuito;

Sin higroscopicidad; Resistencia al aceite y químicos; la emisión de rayos a es pequeña;

Los materiales utilizados son libres de contaminación y no tóxicos; la estructura cristalina no cambia dentro del intervalo de temperatura de funcionamiento;

Las materias primas son abundantes; la tecnología es madura; la fabricación es fácil; El precio es bajo.

Uso

◆ Módulos semiconductores de alta potencia; refrigeradores semiconductores, calentadores electrónicos; circuitos de control de potencia de radiofrecuencia, circuitos de mezcla de potencia.

◆ Componentes de potencia inteligentes; fuentes de alimentación de conmutación de alta frecuencia, relés de estado sólido.

◆ Componentes electrónicos de automóviles, aeroespaciales y militares.

◆ Componentes de paneles solares; intercambios dedicados de telecomunicaciones, sistemas de recepción; electrónica industrial como los láseres.

Tendencia

El advenimiento de los productos de sustrato cerámico ha abierto el desarrollo de la industria de aplicaciones de disipación de calor. Debido a las características de disipación de calor de los sustratos cerámicos, y las ventajas de los sustratos cerámicos como alta disipación de calor, baja resistencia térmica, larga vida útil y resistencia a la tensión, con la mejora de la tecnología de producción y el equipo, los precios de los productos se han acelerado y racionalizado, y luego expandir las áreas de aplicación de la industria LED, como luces indicadoras para electrodomésticos, luces de coches, luces callejeras y grandes señales al aire libre. El desarrollo exitoso de sustratos cerámicos proporcionará servicios para productos de iluminación interior y exterior, y ampliará las áreas de mercado futuras de la industria LED.