ПЕЧАТНАЯ PCB - Инновации в материалах: идеальное слияние металло-керамической ПХД

Как технология подложки электронной упаковки третьего поколения, металло-керамическая ПХД становится основным носителем мощной электроники, радиочастотных схем и сценариев применения при высоких температурах, органически сочетая теплопроводность металла с электроизоляционными свойствами керамики.

Ядро металло-керамической ПХД лежит в его уникальной композитной структуре, которая обычно состоит из металлической подложки, керамического изоляционного слоя и

 проводящего медного слоя. Возьмя в качестве примера композит из нитрида алюминия (AlN) и медной подложки, теплопроводность нитрида алюминия достигает 170-230 Вт/м·К, 

образуя градиентный теплопроводный канал с медью (383 Вт/м·К), в то время как диэлектрическая потеря (0,001-0,1) и диэлектрическая константа (8-10) характеристики керамики 

позволяют ей поддерживать целостность сигнала в диапазоне частот миллиметровых волн.

Эта комбинация материалов решает три основных болевых точки традиционных ПХД:

Теплопроводность обычных субстратов FR-4 составляет всего 0,3-0,4 Вт / м · К, в то время как металло-керамические ПХД могут достичь эквивалентной теплопроводности 10-30 Вт / м · К, снижая температуру соединения модулей IGBT на 15-20 ℃.

Высокочастотное ослабление сигнала: в приложениях базовой станции 5G 28 ГГц диэлектрическая потеря керамических подложек на 60% ниже, чем у традиционных материалов, а эффективность передачи сигнала увеличивается в 3 раза.

Пристасаемость к окружающей среде: прочность изгиба нитридной кремниевой керамики (Si ₃N₄)  достигает 600-800MPa. В сочетании с соответствующей конструкцией CTE (16-18ppm/℃) медной подложки и чипа Si (3-4ppm/℃), надежность мощного модуля улучшается на 5 порядков величины в широком температурном диапазоне от -55 ℃ до + 200 ℃.

Производственный процесс: Точно управляемая композитная технология.

металл керамическая PCB

Подготовка металло-керамической ПХД включает три ключевых процесса:

Технология прямого медного соединения (DBC): Благодаря эвтектической реакции при 1065-1083 ℃ на поверхности алюминиевой керамики образуется медный слой 0,3-0,5 мм с прочностью соединения более 20 МПа. Этот процесс обеспечил стабильную подготовку медных слоев толщиной 800 мкм, удовлетворяя высоким требованиям к току контроллеров двигателей новых энергетических транспортных средств.

Активная пайка металла (AMB): материал для пайки Ag-Cu-Ti используется для достижения металлургического соединения нитрида алюминия и медной подложки при температуре 850 ℃, с прочностью к сдерживанию, превышающей 35 МПа, что особенно подходит для упаковки модулей мощности карбида кремния (SiC).

Лазерная активированная металлизация (LAM): ультрафиолетовый лазер используется для возбуждения металлических наночастиц на керамической поверхности, чтобы сформировать слой металлизации уровня 0,1 мкм, а разрешение ширины линии / интервала (L / S) может достигать 10 мкм, удовлетворяя требованиям к точной проводке высокочастотных радиочастотных схем.

Принимая в качестве примера модуль BYD IGBT 6.0, керамическая подложка AMB, которую он использует, достигает:

Тепловое сопротивление снижается до 0,12 К/Вт (традиционный DBC составляет 0,25 К/Вт)

Срок службы цикла электроэнергии превышает 1 миллион раз (DBC составляет 300 000 раз)

Объем модуля уменьшается на 40%, а эффективность системы увеличивается на 2%

Application scenario: Enabler of high-end manufacturing

New energy vehicle electric drive system: Tesla Model 3 Plaid's silicon carbide inverter uses aluminum nitride ceramic substrate, which reduces switching losses by 30% under the 800V high-voltage platform and increases the driving range by 5%.

5G communication base station: Huawei 64T64R AAU equipment uses low-temperature co-fired ceramic (LTCC) filters, which reduces insertion loss to 0.2dB, improves out-of-band suppression by 15dB, and expands base station coverage radius by 20%.

Aerospace field: SpaceX Starlink satellite's phased array antenna uses silicon nitride ceramic substrate, which maintains signal phase stability of ±1° in a space environment of -180℃ to +120℃, and antenna gain is increased by 3dB.

Medical laser equipment: The laser generator of Lumenis M22 superphoton instrument uses beryllium oxide ceramic substrate with thermal conductivity of 330W/m·K, which increases the pulse energy density to 50J/cm² and the treatment efficiency by 40%.

 Технические проблемы и тенденции развития

Хотя металло-керамические ПХД показали значительные преимущества, их коммерциализация по-прежнему сталкивается с тремя основными проблемами:

Стоимость узкого места: цена подложек нитрида алюминия в 8-10 раз превышает FR-4, в основном ограничена высокочистым керамическим порошком (99,6% AlN) и точным оборудованием для обработки (таким как немецкая лазерная буровая машина LPKF).

Сложность процесса: процесс AMB должен быть завершен в вакуумной среде, а производственная мощность одной линии составляет менее 1/3 DBC, в результате чего цикл поставки длится более 8 недель.

Проверка надежности: в автомобильной промышленности керамические подложки должны пройти 1000 испытаний температурного цикла от -40 ° C до +150 ° C по стандарту AEC-Q200, в то время как нынешний урожайность промышленности составляет всего около 85%.

Будущее технологическое развитие будет сосредоточено на трех основных направлениях:

Снижение затрат на материал: Благодаря технологии модификации нанокерамического порошка теплопроводность подложек из алюминия увеличивается до 40 Вт / м · К, а затраты снижаются до 1/3 нитрида алюминия.

Инновации в процессе: Разработка технологии 3D-печати керамической подложки для достижения одноразового формования сложных полостных конструкций, сокращая производственный цикл с 6 недель до 2 недель.

Системная интеграция: Исследования интегрированной упаковки керамических подложек и встроенных конденсаторов и резисторов для снижения объема модуля на 60% и снижения паразитарной индуктивности до ниже 2 нН.

Металл-керамические ПХД проникают из высококлассных специальных приложений на основной рынок. Согласно прогнозу Yole Développement, глобальный рынок керамических подложек достигнет 1,2 миллиарда долларов США в 2025 году с годовыми совокупными темпами роста в 18%. С популяризацией полупроводниковых устройств третьего поколения, таких как карбид кремния и нитрид галлия, металло-керамические ПХД станут ключевой технологией, способствующей прорывам в производительности силовых электронных систем, способствующей технологическим революциям в новых энергетических транспортных средствах, умных сетях, промышленном Интернете и других областях.