Technologie

Le substrat céramique se réfère à une plaque de procédé spéciale dans laquelle, à une très haute température, une feuille de cuivre est directement liée à la surface (unilatérale ou double latérale) de Al₂O₃ ou substrat céramique AlN. Le substrat composite ultra-mince fabriqué a d'excellentes propriétés d'isolation électrique, une conductivité thermique élevée, une excellente soudabilité et une haute résistance à l'adhésion, et peut être gravé dans divers modèles comme une carte PCB et a une grande capacité de transport de courant. Par conséquent, les substrats en céramique sont devenus le matériau de base pour la technologie de structure de circuit électronique de haute puissance et la technologie d'interconnexion.

Toyota Prius’ solution de refroidissement à l'eau de fond de matrice IGBT et de substrat en céramique de première génération.

Le substrat céramique apporte le nouveau développement de l'industrie des applications de dissipation de chaleur. En raison de la caractéristique de sa dissipation de chaleur et de l'avantage de la dissipation de chaleur élevée, de la faible résistance à la chaleur, du temps d'utilisation long et de la tension de résistance, avec l'amélioration de la technique et de l'amélioration de l'équipement et la rationalisation accélérée du prix du produit, la zone d'application dans l'industrie de la LED est élargie, telle que la lumière d'indicateur de produits ménagers, de lampes automobiles, de lampes de rue et de grands panneaux publicitaires extérieurs, etc. Le développement réussi de substrats en céramique fournit de meilleurs services pour l'éclairage intérieur et les produits d'éc

Spécifications

• Forte tension mécanique, forme stable; haute résistance, haute conductivité thermique, isolation élevée; force de liaison forte, anti-corrosion.
• Bonne performance du cycle thermique, avec jusqu'à 50 000 cycles, haute fiabilité
• Peut faire la gravure graphique sur elle, c'est le même que la plaque PCB ou (substrat IMS), aucune pollution et aucun nuisible
• Température d'utilisation: -55℃-850℃; le coefficient d'expansion thermique est proche du silicium, simplifie le processus de production du module de puissance

Genre

Ⅰ. Diviser par matériel

1. Oxyde d'aluminium (Al)₂O₃)

Al₂O₃ Le substrat est le matériau de base le plus courant dans l'industrie électrique. En matière de performances mécaniques, thermiques et électriques, en comparaison avec la plupart des autres céramiques à oxyde, Al₂O₃ Le substrat a une haute résistance et une stabilité chimique, et parce que sa source de matières premières est abondante, il peut être utilisé pour diverses fabrications techniques et peut être fabriqué sous différentes formes. Certaines productions d'Al₂O₃ substrats peuvent accepter tridimensionnel personnalisé.

2. Oxyde de beryllium (BeO)

Il a une conductivité thermique plus élevée que l'aluminium et est utilisé dans des applications nécessitant une conductivité thermique élevée. Mais lorsque la température est supérieure à 300 ℃, la conductivité thermique diminue rapidement. Le plus important est que sa toxicité limite son développement.

Le composant principal de la céramique en oxyde de beryllium est BeO. Il est principalement utilisé pour le substrat électrique intégré à grande échelle, le tube laser à gaz de grande puissance, le logement du radiateur du transistor, la fenêtre de sortie micro-ondes et le modérateur de neutrons, etc.

Le BeO pur appartient au système de cristaux cubiques. Sa densité est de 3,03 g/cm3 et son point de fusion est de 2570 ℃. Il a une conductivité thermique élevée, presque égale au cuivre et à l'aluminium pur. Le coefficient de conductivité thermique λ est de 200-250W/(m.K). En outre, il a une bonne résistance aux chocs thermiques, sa constante diélectrique est de 6 à 7 (0,1 MHz). La valeur tangente de l'angle de perte moyenne est d'environ 4 × 10-4 (0,1 GHz). La poudre très toxique est le plus grand inconvénient, ce qui rend les plaies de contact difficiles à guérir. Il est fait de poudre d'oxyde de beryllium avec de l'alumine et d'autres ingrédients par frittage à haute température. De bonnes mesures de protection sont nécessaires pour la production de la céramique. La volatilité de l'oxyde de beryllium est augmentée dans les milieux à haute température contenant de la vapeur d'eau. La volatilisation commence à 1000 ℃, et la quantité de volatilisation augmente avec l'augmentation de la température, ce qui apporte des difficultés à la production. Certains pays ne le produisent plus. Mais les performances de production sont excellentes, bien que le prix soit plus élevé, il y a toujours une grande quantité nécessaire.

3. Nitrure d'aluminium (AlN)

Pour AIN, nous devons prêter attention aux deux performances importantes: l'une est le coefficient de conductivité thermique élevé, l'autre est le coefficient d'expansion correspondant à Si. Son inconvénient est que même une couche d'oxyde très fine sur la surface aura un effet sur le coefficient de conductivité thermique. Seulement en contrôlant strictement les matériaux et le processus peut produire de bons substrats AIN.

Considérant les raisons ci-dessus, nous pouvons savoir que la céramique d'oxyde d'aluminium est largement utilisée en raison de leurs performances complètes supérieures dans les domaines de la microélectronique, de l'électronique de puissance, de la microélectronique mixte, des modules de puissance et etc..

4. Nitrure de silicium (Si3N4)

La résistance à la flexion du nouveau substrat céramique en nitrure de silicium est supérieure à celle du substrat en Al2O3 et AlN. La résistance à la fracture du Si3N4 dépasse même celle des céramiques dopées à la zirconie. L'extension de la durée de vie est essentielle pour toutes les applications de modules d'alimentation où de grandes plaques semi-conducteurs sont directement liées à un substrat, et il est particulièrement important pour les plaques SiC et GaN avec des températures de jonction plus élevées (jusqu'à 250 ° C). La conductivité thermique du substrat de nitrure de silicium curamik® est de 90 W/mK, ce qui dépasse la valeur moyenne d'autres substrats sur le marché. La résistance mécanique du nouveau substrat nous permet d'utiliser une couche de céramique plus mince, ce qui réduit la résistance thermique, augmente la densité de puissance et réduit les coûts du système. Par rapport aux substrats Al2O3 et AlN, sa résistance à la flexion est beaucoup améliorée, et les concepteurs en bénéficieront. La résistance à la fracture du nitrure de silicium dépasse même celle des céramiques dopées de zirconie, atteignant 6,5-7 MPa/√m à une conductivité thermique de 90 W/mK.

Ⅱ. Selon le processus de fabrication

1. HTCC (céramique à haute température)

HTCC est également appelée céramique multicouche co-cuite à haute température. Le processus de fabrication est très similaire à LTCC. La principale différence est que la poudre céramique de HTCC n'est pas ajoutée au matériau de verre. Par conséquent, HTCC doit être séché et durci à une température élevée de 1300 ~ 1600 ℃. L'embryon vert est ensuite percé dans des trous, et les trous sont remplis et imprimés avec la technologie de sérigraphie. En raison de la température de co-cuisson élevée, le choix des matériaux conducteurs métalliques est limité. Le matériau principal est un point de fusion élevé, mais les métaux conducteurs tels que le tungstène, le molybdène, le manganèse, etc., qui ont de mauvaises propriétés, sont finalement stratifiés et frittés.

2. LTCC (céramique à basse température)

LTCC est également connu sous le nom de substrat céramique multicouche co-cuiffé à basse température. Cette technologie doit d'abord mélanger la poudre d'alumine inorganique et environ 30% ~ 50% de matériau en verre avec un liant organique pour le faire mélanger uniformement dans une boue semblable à la boue, puis utiliser un rasoir pour raser la boue dans une feuille, puis à travers un processus de séchage pour former un embryon vert mince, puis percer le trou via selon la conception de chaque couche, comme la transmission du signal de chaque couche, le circuit interne de la technologie d'impression à écran LTCC est utilisé pour remplir des trous et des circuits d'impression sur l'embryon vert. Les électrodes intérieures et extérieures peuvent être faites d'argent, de cuivre, d'or et d'autres métaux. Enfin, chaque couche est stratifiée et placée à 850 ~ 900 ℃. Le frittage et la formation dans le four de frittage peuvent être terminés.

3. DBC (cuivre directement lié)

La technologie de revêtement en cuivre direct utilise du cuivre’ s solution eutectique contenant de l'oxygène pour appliquer directement du cuivre sur la céramique. Le principe de base est d'introduire une quantité appropriée d'oxygène entre le cuivre et la céramique avant ou pendant le processus de liaison, à 1065 ℃ ~ 1083 Dans la plage de ℃, le cuivre et l'oxygène forment une solution eutectique Cu-O. La technologie DBC utilise la solution eutectique pour réagir chimiquement avec le substrat céramique pour former la phase CuAlO2 ou CuAl2O4, et d'autre part pour infiltrer la feuille de cuivre pour obtenir la combinaison du substrat céramique et de la plaque de cuivre.

Supérieurité

◆ Le coefficient d'expansion thermique du substrat céramique est proche de celui de la puce de silicium, ce qui peut économiser des tranches de Mo de couche de transition, économiser du travail, économiser des matériaux et réduire les coûts;

◆ Réduire la couche de soudage, réduire la résistance thermique, réduire les vides et améliorer le rendement;

◆ La largeur de la ligne d'une feuille de cuivre de 0,3 mm d'épaisseur n'est que 10% de la carte de circuit imprimé ordinaire sous la même capacité de transport de courant;

◆ Excellente conductivité thermique, de sorte que le paquet de puce est très compact, de sorte que la densité de puissance est considérablement augmentée et la fiabilité du système et du dispositif est améliorée;

◆ Le substrat céramique ultra-mince (0,25 mm) peut remplacer le BeO sans problèmes de toxicité environnementale;

◆ Grande capacité de transport de courant, le courant 100A passe continuellement à travers le corps de cuivre de 1 mm de large et de 0,3 mm d'épaisseur, et l'augmentation de température est d'environ 17 ℃; 100A courant passe continuellement à travers le corps de cuivre de 2 mm de large et de 0,3 mm d'épaisseur, et l'augmentation de température n'est que d'environ 5 ℃;

◆ Résistance thermique faible, la résistance thermique d'un substrat céramique de 10 x 10 mm est de 0,31K / W pour un substrat céramique d'épaisseur de 0,63 mm, la résistance thermique d'un substrat céramique d'épaisseur de 0,38 mm est de 0,19K / W et la résistance thermique d'un substrat céramique d'épaisseur de 0,25 mm La résistance thermique est de 0,14K / W.

◆ Isolation haute résiste à la tension pour assurer la sécurité personnelle et la protection des équipements.

◆ De nouvelles méthodes d'emballage et d'assemblage peuvent être réalisées, de sorte que le produit est hautement intégré et que la taille est réduite.

Exigences de performance

(1) Propriétés mécaniques

Il a une résistance mécanique suffisamment élevée, en plus de porter des composants, il peut également être utilisé comme organe de soutien; il a une bonne processabilité et une précision dimensionnelle élevée; il est facile de réaliser la multicouche;

La surface est lisse, sans déformation, pliage, microfissures, etc.

(2) Propriétés électriques

Résistance d'isolation élevée et tension de panne d'isolation;

Constante diélectrique faible;

Faible perte diélectrique;

Performance stable dans des conditions de température élevée et d'humidité élevée pour assurer la fiabilité.

(3) Propriétés thermiques

Conductivité thermique élevée;

Le coefficient d'expansion thermique est correspondu aux matériaux connexes (en particulier le coefficient d'expansion thermique de Si devrait être correspondu);

Excellente résistance à la chaleur.

(4) Autres propriétés

bonne stabilité chimique; facile à métalliser, adhésion forte au motif du circuit;

Pas d'hygroscopicité; résistance aux huiles et aux produits chimiques; l'émission de rayons a est faible;

Les matériaux utilisés sont exempts de pollution et non toxiques; la structure cristalline ne change pas dans la plage de température de fonctionnement;

Les matières premières sont abondantes; la technologie est mature; la fabrication est facile; Le prix est bas.

Utilisation

◆ Modules semi-conducteurs de haute puissance; réfrigérateurs à semi-conducteurs, chauffages électroniques; circuits de contrôle de puissance radiofréquence, circuits de mélange de puissance.

◆ composants de puissance intelligents; alimentations à commutation haute fréquence, relais à état solide.

◆ Composants électroniques automobiles, aérospatiaux et militaires.

◆ composants de panneaux solaires; télécommunications, échanges dédiés, systèmes de réception; électronique industrielle comme les lasers.

Tendance

L'avènement des produits de substrat en céramique a ouvert le développement de l'industrie des applications de dissipation de chaleur. En raison des caractéristiques de dissipation de chaleur des substrats en céramique, et des avantages des substrats en céramique tels que la dissipation de chaleur élevée, la faible résistance thermique, la longue durée de vie et la résistance à la tension, avec l'amélioration de la technologie de production et de l'équipement, les prix des produits ont accéléré et rationalisé, Et ensuite élargir les domaines d'application de l'industrie LED, tels que les feux d'indicateur pour les appareils ménagers, les feux de voiture, les feux de rue et les grands panneaux extérieurs. Le développement réussi des substrats en céramique fournira des services pour l'éclairage intérieur et les produits d'éclairage extérieur et élargira les secteurs de marché futurs de l'industrie LED.