Керамическая печатная плата
(AlN / Al₂O₃ / DPC)
Керамические подложки из глинозема и нитрида алюминия - теплопроводность до 170 Вт/м-К, стабильность от -55°C до +350°C, отсутствие рассогласования CTE с силовыми полупроводниками SiC и GaN.
Подложка для применений, где органические ПХБ физически не могут работать
В керамических печатных платах в качестве подложки используется керамическая плитка из глинозема (Al₂O₃) или нитрида алюминия (AlN) - вместо органического основания FR4 или полиимида, используемого в стандартных печатных платах. Медные трассы печатных плат наносятся непосредственно на керамическую поверхность с помощью процесса прямого нанесения меди (DPC) или толстопленочной трафаретной печати.
Разница в характеристиках не является инкрементной. Теплопроводность AlN составляет 170 Вт/м-К - более чем в 500 раз выше, чем 0,3 Вт/м-К у FR4. Для 200-ваттного SiC MOSFET эта разница означает температуру спая 180°C на FR4 против 95°C на AlN - разница между тепловым разрывом и надежной работой.
Керамические подложки также химически инертны, механически стабильны до 1600°C и имеют коэффициент теплового расширения (CTE), близкий к SiC (3,7 ppm/°C) и GaN (5,6 ppm/°C), что устраняет усталость от несоответствия CTE, которая разрушает силовые модули на органических подложках при термоциклировании.
Получить цитату Керамические печатные платы →
Три инженерных реалии, которые делают керамику единственной жизнеспособной подложкой
Когда температура, теплопроводность или соответствие CTE превышают возможности органических подложек, физика требует керамики.
Теплопроводность - 500× лучше, чем у FR4
Теплопроводность FR4: 0,3 Вт/м-К. Печатная плата с металлическим сердечником (MCPCB): 1-4 Вт/м-К. Глинозем Al₂O₃: 24 Вт/м-К. Нитрид алюминия AlN: 170 Вт/м-К. Для устройства мощностью 100 Вт эта последовательность соответствует температурам спаев примерно 180°C, 85°C, 45°C и 30°C выше окружающей среды соответственно. AlN не просто работает лучше - он обеспечивает такие уровни плотности мощности, которые органические подложки физически не могут поддерживать.
AlN = 170 Вт/м-К - Al₂O₃ = 24 Вт/м-К - FR4 = 0,3 Вт/м-К - разница 500×.Нулевое несоответствие СТЭ - конец термической усталости
КТЭ SiC составляет 3,7 ppm/°C. У FR4 CTE составляет 14-17 ppm/°C - несоответствие в 4 раза, что приводит к возникновению напряжения термической усталости при каждом цикле питания. После 10 000-100 000 циклов паяные соединения трескаются, и устройство выходит из строя. КТЭ AlN, составляющий 4,5 ppm/°C, почти соответствует SiC, что позволяет осуществлять прямое присоединение матрицы без использования термоинтерфейсного материала, а срок службы модулей измеряется десятилетиями, а не годами.
AlN CTE = 4,5 ppm/°C - SiC CTE = 3,7 ppm/°C - термическая усталость исключенаХимическая и температурная инертность выше 200°C
Эпоксидная матрица FR4 начинает разрушаться при температурах, приближающихся к ее Tg (130-220°C в зависимости от марки), и подвергается воздействию технологических растворителей и агрессивных чистящих средств. Алюмооксидная и AlN-керамика стабильна до 1600°C, химически инертна практически ко всем промышленным растворителям и кислотам и не впитывает влагу. Для высокотемпературных процессов, агрессивных химических сред и применений, требующих срока службы более 20 лет, керамика не является премиальной опцией - это соответствующая инженерная спецификация.
стабильность до 1600°C - химическая инертность - отсутствие влаги - срок службы 20+ летПолная спецификация керамической печатной платы
Подложки Al₂O₃ и AlN хранятся на складе. Теплопроводность измеряется для каждой партии и сообщается при поставке.
Параметры изготовления
| Материал подложки | Al₂O₃ 96% - Al₂O₃ 99% - AlN |
| Теплопроводность | 24 Вт/м-К (Al₂O₃) - до 170 Вт/м-К (AlN) |
| Процесс | ДПК - ГТК - ЛТК |
| Мин. След / Пространство | 25 мкм / 25 мкм (процесс DPC) |
| Толщина меди | 5 мкм - 300 мкм (DPC) |
Производительность и стандарты
| Рабочая температура | От -55°C до +350°C (керамика) - +850°C (HTCC) |
| CTE (AlN) | 4,5 ppm/°C - близкое соответствие SiC / GaN |
| Отделка поверхности | ENIG - голая Cu - электролитический Au |
| Толщина подложки | 0,25 мм - 3,0 мм |
| Шероховатость поверхности (Ra) | < 0,1 мкм на поверхностях, прилегающих к матрице |
Как производится керамическая печатная плата
Производство керамических подложек сочетает в себе спекание керамики, тонкопленочное осаждение и прецизионное электролитическое покрытие, что совершенно не похоже на производство органических печатных плат.
Подготовка субстрата
Обожженная керамическая плитка (Al₂O₃ или AlN) обрезается по размеру, притирается и полируется до уровня Ra < 0,1 мкм на присоединяемых поверхностях. Входящая теплопроводность проверяется лазерной вспышкой.
Посевной слой PVD
Начальный слой Ti/Cu или Ti/Ni наносится методом физического осаждения из паровой фазы (PVD / напыление) для создания однородной проводящей основы для последующего нанесения гальванического покрытия.
Электролитическое медное покрытие и нанесение изображений
Медь наносится гальваническим способом до заданной толщины (5-300 мкм). Трассировка микросхем производится методом фотолитографии и вытравливается до окончательной геометрии - минимальная ширина трассировки 25 мкм.
Отделка и контроль поверхности
Наносится покрытие ENIG или электролитическое золото. Оптический контроль 100%, электрические испытания и испытания на прочность при отслаивании завершают процесс DPC.
Там, где керамическая печатная плата является единственной подходящей подложкой
Высокая температура, высокая плотность тока или CTE-совмещенный штамп - керамика является инженерным требованием.
Модули питания SiC и GaN
Подложки AlN непосредственно под SiC MOSFET и GaN HEMT - исключение материалов теплового интерфейса.
Мощные светодиодные массивы
Алюмооксидная керамика для многослойных светодиодных матриц и УФ-обеззараживания, где температура спая контролирует срок службы.
Автомобильные SiC-инверторы
DPC AlN для силовых модулей автомобильных тяговых инверторов, требующих постоянной температуры спая 150°C.
Радиочастотные усилители мощности
AlN для радиочастотных модулей PA, требующих одновременного терморегулирования и электрической изоляции.
Крепления для лазерных диодов
Высокоточная керамика для одноэмиттерных и полосковых лазерных диодов, требующих субмикронной плоскостности.
Аэрокосмическая силовая электроника
Эффективная по весу керамика для DC-DC-преобразователей авионики и кондиционирования питания спутников.
Медицинская электрохирургия
Высоковольтная изолированная керамика для выходных цепей электрохирургических генераторов.
Военные энергетические системы
Керамика военного назначения для каскадов питания радарных модулей T/R, работающих при экстремальных температурах.
Качество керамической подложки - проверено на тепловые и механические характеристики.
Адгезия медно-керамического интерфейса - это переменная, ограничивающая срок службы керамических подложек DPC при циклическом изменении мощности. Наши испытания на прочность при отслаивании и квалификация термических циклов подтверждают качество интерфейса, определяющее срок службы модуля, а не только электрическую целостность в первый день.
- ISO 9001 : 2015Управление качеством, прошедшее аудит третьей стороной
- Сертификация материаловДокументация по чистоте подложек Al₂O₃ и AlN
- Теплопроводность CoCИзмерение лазерной вспышки на AlN
- RoHS / REACHСоответствие требованиям ЕС по опасным веществам
Методы контроля и испытаний
- 100% Электрический тест - летающий зондВсе сети, каждая подложка
- 100% AOIКонтроль трассировки и размеров меди
- Испытание на прочность медной коркиАдгезия интерфейса DPC Cu-керамика на партию
- Теплопроводность - Лазерная вспышкаИзмерения на подложках из AlN в каждой партии
- Шероховатость поверхности (Ra)Профилометрия на поверхностях, прилегающих к штампу
- Нос и плоскостьЛазерная профилометрия для определения плоскостности прикрепления штампов
- Термоциклирование - от -55°C до +350°CКвалификация по цикличности питания по запросу
- Толщина покрытия XRFИзмерение толщины покрытия ENIG / Au
Керамические подложки, которые мы создали
Реальные проблемы подложек высокой мощности и высоких температур - решены.
AlN-подложка для инвертора SiC мощностью 150 кВт
DPC AlN, 170 Вт/м-К, 300 мкм меди для интеграции шин, голая медная поверхность для прямого крепления SiC матрицы, рабочий диапазон от -55°C до +175°C.
Тепловое сопротивление между спаем и корпусом на 22% ниже конкурирующей алюминиевой конструкции. Прошла квалификацию на 10 000 циклов питания. Заказчик добился на 35% более высокой плотности мощности по сравнению с предыдущим поколением.
Керамический массив светодиодов UV-C мощностью 500 Вт
Al₂O₃ 99%, 24 Вт/м-К, покрытие ENIG, многослойная матрица 8×8, постоянная рабочая температура 120°C для модуля УФ-обеззараживания.
Температура спая светодиодов на 28°C ниже, чем у эквивалентной конструкции MCPCB. Эффективность на 8% выше при номинальной мощности. Срок службы модуля превысил 50 000 часов в ходе ускоренных испытаний.
AlN-подложка для 200-ваттного GaN PA
DPC AlN, ширина трассы 50 мкм для ВЧ-каналов, ENIG, CTE-совмещение с матрицей GaN-on-SiC, поверхность 0,1 мкм Ra для крепления матрицы.
ВЧ-характеристики соответствуют спецификации при первой сборке без пересмотра макета. Тепловые измерения на 15°C ниже, чем при моделировании. С первой попытки пройдена квалификация по стандарту MIL-STD-883.
Общие вопросы о керамической печатной плате
Технические вопросы о керамических подложках DPC, выборе материала и тепловых характеристиках.
DPC (Direct Plate Copper) наносит тонкий затравочный слой PVD непосредственно на керамическую поверхность, а затем электролитическим способом наплавляет медь до заданной толщины. Таким образом достигается возможность нанесения тонких линий (минимальная ширина трассы 25 мкм), тонкая однородная медь и очень гладкая поверхность. Толстопленочная трафаретная печать наносит проводящую пасту через трафаретную маску и обжигает ее - минимальная ширина линии обычно составляет 100-150 мкм, а шероховатость поверхности значительно выше. DPC предпочтительна для силовых модулей, ВЧ-приложений и прецизионных схем. Толстопленочная печать используется для изготовления резисторных сетей и подложек для датчиков.
Выбирайте Al₂O₃ (глинозем), когда достаточно теплопроводности 24 Вт/м-К, а стоимость является основным ограничением - подходит для светодиодных драйверов, силовой электроники общего назначения и медицинских приборов. Выбирайте AlN (нитрид алюминия), если бюджет температуры спая силового устройства требует теплопроводности выше 80 Вт/м-К, если соответствие CTE матрице SiC или GaN критически важно, или если рабочая температура постоянно превышает 200°C. Стоимость AlN примерно в 3-4 раза выше стоимости глинозема.
Минимальная толщина меди в нашем процессе DPC составляет 5 мкм (для приложений с сигнальным слоем). Стандартная толщина меди силовых модулей составляет 100-200 мкм. Для шин и сильноточных приложений возможно использование меди толщиной до 300 мкм. Толщина меди влияет на пропускную способность по току, тепловое сопротивление и требуемую минимальную ширину трассы - более толстая медь требует более широких трасс для поддержания равномерного покрытия.
Да - керамика DPC с обнаженной медью или покрытием ENIG подходит для прямого крепления матрицы с использованием серебряной агломерационной пасты, золото-оловянного (AuSn) припоя или припоя SAC305. Для прямого спекания серебра медная поверхность должна быть посеребрена после DPC. Керамическая подложка обеспечивает совпадение CTE с матрицей и тепловой путь к радиатору, устраняя слои материала теплового интерфейса и связанное с ними тепловое сопротивление.
Теплопроводность AlN-подложек измеряется методом анализа лазерной вспышки (LFA) на купонах материала, вырезанных из той же производственной партии, что и поставляемые подложки. Мы указываем измеренное значение в сертификате соответствия материала (CoC), поставляемом с каждым заказом. Типичные измеренные значения для нашей стандартной марки AlN составляют 155-170 Вт/м-К. Если для вашей тепловой модели требуется конкретное минимальное значение, укажите его на этапе запроса.
Керамические подложки DPC с медными дорожками рассчитаны на непрерывную работу при температуре до 350°C. При температуре выше 400°C медно-керамическое соединение начинает разрушаться из-за разницы в CTE. Для приложений, требующих работы при температуре выше 350°C, подходит технология HTCC (высокотемпературная керамика совместного обжига, обжигаемая при 1500°C) с проводниками из тугоплавких металлов (W, Mo) - проконсультируйтесь с нашими инженерами по поводу возможности применения HTCC.
Получите отзыв о проекте керамической подложки - уже сегодня.
Пришлите свои тепловые требования, спецификацию крепления матрицы и профиль цикличности питания. Наши инженеры по керамике предоставят рекомендации по материалам и обзор процесса DPC в течение 8 часов.
- Обзор DFM включен в каждый запрос
- Подписание NDA по запросу - стандартная практика
- Ответ в течение 8 рабочих часов
- Доступен 48-часовой экспресс-прототип
- Для получения предложения не требуется никаких обязательств
Запрос Цитировать
Введите данные ниже, и мы свяжемся с вами в ближайшее время.