Keramische PCB
(AlN / Al₂O₃ / DPC)
Keramiksubstrate aus Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid - bis zu 170 W/m-K Wärmeleitfähigkeit, stabil von -55°C bis +350°C und keine WAK-Fehlanpassung mit SiC- und GaN-Leistungshalbleitern.
Das Substrat für Anwendungen, bei denen organische Leiterplatten aus physikalischen Gründen nicht eingesetzt werden können
Bei einer keramischen Leiterplatte wird eine Keramikplatte aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Aluminiumnitrid (AlN) als Substrat verwendet - anstelle der organischen Basis FR4 oder Polyimid, die bei Standardleiterplatten verwendet wird. Die Leiterbahnen aus Kupfer werden im Direct Plate Copper (DPC)-Verfahren oder im Dickschicht-Siebdruckverfahren direkt auf die Keramikoberfläche aufgebracht.
Der Leistungsunterschied ist nicht inkrementell. AlN hat eine Wärmeleitfähigkeit von 170 W/m-K - mehr als 500 Mal höher als die 0,3 W/m-K von FR4. Für einen 200-W-SiC-MOSFET bedeutet dieser Unterschied eine Sperrschichttemperatur von 180 °C auf FR4 gegenüber 95 °C auf AlN - der Unterschied zwischen thermischem Durchgehen und zuverlässigem Betrieb.
Keramische Substrate sind auch chemisch inert, mechanisch stabil bis 1600°C und haben einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE), der dem von SiC (3,7 ppm/°C) und GaN (5,6 ppm/°C) sehr nahe kommt - so wird die CTE-Fehlanpassung vermieden, die Leistungsmodule mit organischen Substraten bei Temperaturwechseln zerstört.
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Drei technische Realitäten, die Keramik zum einzigen brauchbaren Substrat machen
Wenn Temperatur, Wärmeleitfähigkeit oder WAK-Anpassung die Möglichkeiten organischer Substrate übersteigen, erfordert die Physik Keramik.
Wärmeleitfähigkeit - 500× besser als FR4
FR4 Wärmeleitfähigkeit: 0,3 W/m-K. Metallkern-Leiterplatten (MCPCB): 1-4 W/m-K. Tonerde Al₂O₃: 24 W/m-K. Aluminiumnitrid AlN: 170 W/m-K. Bei einem Gerät mit 100 W Leistung entspricht diese Abfolge Sperrschichttemperaturen von etwa 180 °C, 85 °C, 45 °C bzw. 30 °C über der Umgebungstemperatur. AlN ist nicht nur leistungsfähiger, sondern ermöglicht Leistungsdichten, die organische Substrate physikalisch nicht unterstützen können.
AlN = 170 W/m-K - Al₂O₃ = 24 W/m-K - FR4 = 0,3 W/m-K - 500× UnterschiedNull WAK-Fehlanpassung - Das Ende der thermischen Ermüdung
SiC hat einen WAK von 3,7 ppm/°C. Der WAK von FR4 liegt bei 14-17 ppm/°C - eine vierfache Abweichung, die bei jedem Stromzyklus eine thermische Ermüdungsbelastung erzeugt. Nach 10.000-100.000 Zyklen reißen die Lötstellen und das Gerät fällt aus. Der WAK von AlN ist mit 4,5 ppm/°C fast so hoch wie der von SiC und ermöglicht eine direkte Verbindung der Chips ohne thermisches Schnittstellenmaterial und eine Modullebensdauer, die in Jahrzehnten statt in Jahren gemessen wird.
AlN CTE = 4,5 ppm/°C - SiC CTE = 3,7 ppm/°C - keine thermische ErmüdungChemische und Temperaturbeständigkeit über 200°C
Die FR4-Epoxidmatrix beginnt sich bei Temperaturen nahe ihrer Tg (130-220°C je nach Sorte) zu zersetzen und wird von Prozesslösungsmitteln und scharfen Reinigungsmitteln angegriffen. Aluminiumoxid- und AlN-Keramiken sind bis 1600 °C stabil, chemisch inert gegenüber praktisch allen industriellen Lösungsmitteln und Säuren und nehmen keine Feuchtigkeit auf. Für Hochtemperaturprozesse, raue chemische Umgebungen und Anwendungen, die eine Lebensdauer von mehr als 20 Jahren erfordern, ist Keramik keine Premium-Option - es ist die geeignete technische Spezifikation.
stabil bis 1600°C - chemisch inert - feuchtigkeitsfrei - 20+ Jahre LebensdauerSpezifikation der Vollkeramik-Leiterplatte
Al₂O₃- und AlN-Substrate werden intern gelagert. Die Wärmeleitfähigkeit wird pro Los gemessen und bei der Lieferung angegeben.
Parameter für die Herstellung
| Material des Substrats | Al₂O₃ 96% - Al₂O₃ 99% - AlN |
| Wärmeleitfähigkeit | 24 W/m-K (Al₂O₃) - bis zu 170 W/m-K (AlN) |
| Prozess | DPC - HTCC - LTCC |
| Min. Spur/Leerzeichen | 25 µm / 25 µm (DPC-Verfahren) |
| Kupferdicke | 5 µm - 300 µm (DPC) |
Leistung und Standards
| Betriebstemperatur | -55°C bis +350°C (Keramik) - +850°C (HTCC) |
| CTE (AlN) | 4,5 ppm/°C - nahezu Anpassung an SiC / GaN |
| Oberfläche | ENIG - blankes Cu - elektrolytisches Au |
| Dicke des Substrats | 0,25 mm - 3,0 mm |
| Oberflächenrauhigkeit (Ra) | < 0,1 µm auf den Oberflächen von Die-Attach |
Wie Keramik-Leiterplatten hergestellt werden
Bei der Herstellung von Keramiksubstraten werden keramische Sinterung, Dünnschichtabscheidung und elektrolytische Präzisionsbeschichtung kombiniert - ganz anders als bei der Herstellung von organischen Leiterplatten.
Vorbereitung des Substrats
Gebrannte Keramikfliesen (Al₂O₃ oder AlN) werden auf Maß geschnitten, geläppt und auf Ra < 0,1 µm auf den Oberflächen von Die-Attach. Die eingehende Wärmeleitfähigkeit wird durch einen Laserblitz überprüft.
PVD-Saatgutschicht
Die Ti/Cu- oder Ti/Ni-Keimschicht wird durch physikalische Abscheidung aus der Gasphase (PVD/Sputtern) abgeschieden, um eine einheitliche leitfähige Grundlage für die anschließende Galvanisierung zu schaffen.
Elektrolytische Verkupferung & Bildgebung
Das Kupfer wird auf die gewünschte Dicke galvanisiert (5-300 µm). Die Leiterbahnen werden fotolithografisch strukturiert und auf die endgültige Geometrie geätzt - Mindestbreite der Leiterbahnen 25 µm.
Oberflächenbehandlung und Inspektion
ENIG oder elektrolytisches Goldfinish wird aufgetragen. Die optische Inspektion des 100%, die elektrische Prüfung und die Prüfung der Schälfestigkeit schließen den DPC-Prozess ab.
Wenn Keramik-Leiterplatten das einzige brauchbare Substrat sind
Hohe Temperatur, hohe Stromdichte oder CTE-angepasstes Die-Attach - Keramik ist die technische Anforderung.
SiC- und GaN-Leistungsmodule
AlN-Substrate direkt unter SiC-MOSFET- und GaN-HEMT-Die, wodurch thermische Schnittstellenmaterialien entfallen.
Hochleistungs-LED-Arrays
Aluminiumoxidkeramik für Multi-Die-LED-Arrays und UV-Desinfektion, bei denen die Sperrschichttemperatur die Lebensdauer bestimmt.
SiC-Wechselrichter für Kraftfahrzeuge
DPC AlN für Wechselrichter-Leistungsmodule im Automobilbereich, die eine kontinuierliche Sperrschichttemperatur von 150°C erfordern.
RF-Leistungsverstärker
AlN für RF PA-Module, die gleichzeitig Wärmemanagement und elektrische Isolierung erfordern.
Laserdioden-Submounts
Hochpräzisionskeramik für Einzelemitter- und Barrenlaserdioden, die eine Ebenheit im Submikrometerbereich erfordern.
Leistungselektronik für die Luft- und Raumfahrt
Gewichtseffiziente Keramik für DC-DC-Wandler in der Avionik und für die Stromversorgung von Satelliten.
Medizinische Elektrochirurgie
Isolierte Hochspannungskeramik für elektrochirurgische Generatorausgangsschaltungen.
Militärische Energiesysteme
Militärspezifische Keramik für Leistungsstufen von Radar-T/R-Modulen, die unter extremen Temperaturen arbeiten.
Qualität des keramischen Substrats - geprüft auf thermische und mechanische Leistung.
Die Haftung der Kupfer-Keramik-Grenzfläche ist die lebensbegrenzende Variable bei DPC-Keramiksubstraten unter Stromwechselbeanspruchung. Unsere Schälfestigkeitstests und die Qualifizierung für den thermischen Zyklus bestätigen die Qualität der Schnittstelle, die die Lebensdauer des Moduls bestimmt - nicht nur die elektrische Integrität am ersten Tag.
- ISO 9001 : 2015Von Dritten geprüftes Qualitätsmanagement
- Zertifizierung von MaterialienDokumentation der Reinheit von Al₂O₃- und AlN-Substraten
- Wärmeleitfähigkeit CoCPro-Lot-Laserblitzmessung an AlN
- RoHS / REACHEinhaltung der EU-Vorschriften für gefährliche Stoffe
Inspektions- und Prüfverfahren
- 100% Elektrischer Test - Fliegender TastkopfAlle Netze, jedes Substrat
- 100% AOIPrüfung von Kupferbahnen und Abmessungen
- Prüfung der Schälfestigkeit von KupferDPC Cu-Keramik-Grenzflächenhaftung pro Los
- Wärmeleitfähigkeit - Laser FlashPro-Lot-Messung auf AlN-Substraten
- Oberflächenrauhigkeit (Ra)Profilometrie auf angesetzten Oberflächen
- Bogen und FlachheitLaser-Profilometrie für die Planarität von Stanzformen
- Thermischer Zyklus -55°C bis +350°CPower Cycling Qualifikation auf Anfrage
- XRF-BeschichtungsdickeENIG / Au Schichtdickenmessung
Keramische Substrate, die wir gebaut haben
Echte Herausforderungen für Hochleistungs- und Hochtemperatursubstrate - gelöst.
AlN-Substrat für 150 kW SiC-Wechselrichter
DPC AlN, 170 W/m-K, 300 µm Kupfer für Busbar-Integration, blanke Kupferoberfläche für direkte SiC-Die-Attach, Betriebsbereich -55°C bis +175°C.
Der Wärmewiderstand zwischen Anschluss und Gehäuse liegt 22% unter dem konkurrierender Aluminiumoxid-Designs. Hat die Qualifikation für 10.000 Leistungszyklen bestanden. Der Kunde erzielte eine um 35% höhere Leistungsdichte als die vorherige Generation.
500 W UV-C LED-Keramik-Array
Al₂O₃ 99%, 24 W/m-K, ENIG-Finish, 8×8 Multi-Die-Array, Dauerbetriebstemperatur 120°C für UV-C-Desinfektionsmodul.
LED-Sperrschichttemperatur 28°C niedriger als bei gleichwertigen MCPCB-Designs. Wirkungsgrad 8% höher bei Nennleistung. Lebensdauer des Moduls übersteigt 50.000 Stunden in beschleunigten Lebensdauertests.
AlN-Substrat für 200 W GaN PA
DPC AlN, 50 µm Leiterbahnbreite für RF-Zuleitungen, ENIG, CTE-angepasst an GaN-on-SiC-Die, 0,1 µm Ra-Oberfläche für Die-Attach.
Die HF-Leistung entsprach der Spezifikation beim ersten Aufbau ohne Layoutänderung. Thermische Messungen 15°C unter der Simulation. Die MIL-STD-883-Qualifizierung wurde im ersten Anlauf bestanden.
Häufige Fragen zu Keramik-Leiterplatten
Technische Fragen zu DPC-Keramiksubstraten, Materialauswahl und thermischer Leistung.
Beim DPC-Verfahren (Direct Plate Copper) wird eine dünne PVD-Keimschicht direkt auf die keramische Oberfläche aufgebracht und dann elektrolytisch Kupfer in der gewünschten Dicke abgeschieden. Auf diese Weise lassen sich feine Linien (mindestens 25 µm Leiterbahnbreite), dünnes, gleichmäßiges Kupfer und eine sehr glatte Oberfläche erzielen. Beim Dickschicht-Siebdruck wird eine leitfähige Paste durch eine Siebmaske hindurch aufgetragen und eingebrannt - die minimale Leiterbahnbreite beträgt in der Regel 100-150 µm und die Oberflächenrauhigkeit ist deutlich höher. DPC wird bevorzugt für Leistungsmodule, HF-Anwendungen und Präzisionsschaltungen eingesetzt. Dickschicht wird für Widerstandsnetzwerke und Sensorsubstrate verwendet.
Wählen Sie Al₂O₃ (Aluminiumoxid), wenn eine Wärmeleitfähigkeit von 24 W/m-K ausreicht und die Kosten eine primäre Einschränkung darstellen - geeignet für LED-Treiber, allgemeine Leistungselektronik und medizinische Geräte. Entscheiden Sie sich für AlN (Aluminiumnitrid), wenn Ihr Budget für die Sperrschichttemperatur in Leistungsgeräten eine Leitfähigkeit von über 80 W/m-K erfordert, wenn die WAK-Anpassung an SiC- oder GaN-Die kritisch ist oder wenn die Betriebstemperaturen 200 °C kontinuierlich überschreiten. AlN ist etwa 3-4 mal so teuer wie Aluminiumoxid.
Die Mindestkupferdicke in unserem DPC-Verfahren beträgt 5 µm (für Signallayer-Anwendungen). Das Standardkupfer für Leistungsmodule beträgt 100-200 µm. Für Stromschienen- und Hochstromanwendungen sind Kupferstärken von bis zu 300 µm möglich. Die Kupferdicke wirkt sich auf die Strombelastbarkeit, den Wärmewiderstand und die erforderliche Mindestbreite der Leiterbahnen aus - dickeres Kupfer erfordert breitere Leiterbahnen, um eine gleichmäßige Beschichtung zu gewährleisten.
Ja - DPC-Keramik mit blankem Kupfer- oder ENIG-Finish eignet sich für die direkte Befestigung von Stümpfen mit Silbersinterpaste, Gold-Zinn-Lot (AuSn) oder SAC305-Lot. Bei direkter Silbersinterung muss die Kupferoberfläche nach der DPC versilbert werden. Das Keramiksubstrat sorgt für die WAK-Anpassung an den Chip und den Wärmepfad zur Wärmesenke, so dass keine thermischen Zwischenschichten und der damit verbundene Wärmewiderstand erforderlich sind.
Die Wärmeleitfähigkeit von AlN-Substraten wird mittels Laser-Flash-Analyse (LFA) an Materialproben gemessen, die aus derselben Produktionscharge stammen wie die gelieferten Substrate. Der gemessene Wert wird im Konformitätszertifikat (Certificate of Conformance, CoC) angegeben, das mit jeder Bestellung geliefert wird. Typische Messwerte für unsere Standard-AlN-Sorte sind 155-170 W/m-K. Wenn Ihr Wärmemodell einen bestimmten Mindestwert erfordert, geben Sie diesen bei der Anfrage an.
DPC-Keramiksubstrate mit Kupferleiterbahnen sind für einen Dauerbetrieb bis 350 °C ausgelegt. Die Kupfer-Keramik-Verbindung beginnt sich oberhalb von 400°C aufgrund des unterschiedlichen WAK zu verschlechtern. Für Anwendungen, die einen Betrieb über 350°C erfordern, ist HTCC (High Temperature Co-fired Ceramic, gebrannt bei 1500°C) mit Refraktärmetall-Leitern (W, Mo) die geeignete Technologie - wenden Sie sich an unser Ingenieurteam für HTCC-Fähigkeiten.
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Schicken Sie uns Ihre thermischen Anforderungen, die Spezifikation für die Befestigung und das Profil für die Leistungszyklen. Unsere Keramikingenieure senden Ihnen innerhalb von 8 Stunden eine Materialempfehlung und eine DPC-Prozessprüfung zurück.
- DFM-Prüfung bei jeder Anfrage inbegriffen
- NDA auf Anfrage unterzeichnet - gängige Praxis
- Antwort innerhalb von 8 Arbeitsstunden
- 48-Stunden-Express-Prototyp verfügbar
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