Výroba keramických desek plošných spojů s těžkou mědí AMB

Keramické desky plošných spojů AMB využívají aktivní kovové pájení k přímému spojení silné mědi s keramickými substráty – čímž vzniká nejsilnější rozhraní měď-keramika, jaké je dnes k dispozici ve výrobě. Proces pájení využívá slitinu Ag-Cu-Ti při teplotě 800–900 °C ve vakuu; aktivní titanový prvek smáčí keramický povrch a vytváří skutečnou metalurgickou vazbu, která přežívá i v režimech tepelných cyklů, kdy spoje DBC a DPC nakonec selhávají.

Tato pevnost spoje je důvodem, proč se AMB stala dominantní metalizační technologií pro keramické substráty z nitridu křemíku (Si₃N₄) – a proč je kombinace Si₃N₄ + AMB nyní standardní substrátovou platformou pro výkonové moduly SiC a GaN nové generace v trakčních střídačích pro elektromobily, průmyslových pohonech a systémech obnovitelných zdrojů energie.

Společnost Highleap Electronics vyrábí keramické desky plošných spojů AMB na substrátech Si₃N₄ a AlN s tloušťkou mědi od 0.15 mm do 0.8 mm, a to v kombinaci s našimi možnostmi montáže keramických desek plošných spojů a testování výkonových modulů.

Získejte cenovou nabídku na keramické desky plošných spojů AMB →

Jak funguje proces AMB

Pájení aktivním kovem se zásadně liší od DBC. V DBC se měď váže na keramiku prostřednictvím eutektika oxidu mědi, které se tvoří při teplotě ~1 065 °C – keramika musí být oxid (oxid hlinitý) nebo mít povrch tvořící oxidy, aby DBC spolehlivě fungovala. To omezuje účinnost DBC na neoxidové keramice, jako je Si₃N₄.

AMB tento problém řeší zavedením aktivního kovu – titanu – do pájecí slitiny. Při teplotě pájení (800–900 °C) ve vakuu nebo inertní atmosféře reaguje titan přímo s keramickým povrchem a vytváří tenkou reakční vrstvu (obvykle TiN na Si₃N₄ nebo TiO na Al₂O₃), která je smáčena roztavenou pájkou Ag-Cu. Výsledkem je metalurgická vazba mezi mědí a keramikou, která nezávisí na tvorbě oxidů.

Postup výroby AMB:

AMB vs. DBC: Kdy je každá technologie tou správnou volbou

AMB není univerzální náhradou za DBC – je to upgrade pro aplikace, kde DBC dosahuje svých limitů spolehlivosti nebo tloušťky mědi. Výběr mezi nimi závisí na konkrétních konstrukčních omezeních.

Použijte DBC, když: váš výkonový modul používá substrát z oxidu hlinitého nebo AlN, požadavek na tepelné cyklování je pod ~5 000 cyklů a tloušťka mědi 600 µm nebo méně je dostatečná. Substráty AlN DBC zůstávají cenově výhodnou volbou pro IGBT moduly v průmyslových UPS, svářečkách a solárních střídačích s mírnými cyklickými profily.

Použijte AMB, pokud: konstrukce specifikuje substrát Si₃N₄ (DBC se nespojí spolehlivě s Si₃N₄), tepelná cyklická životnost přesahuje 10 000 cyklů, teplotní výkyv (ΔT) přesahuje 200 °C nebo je pro zacházení s proudem vyžadována tloušťka mědi nad 600 µm. Tyto podmínky platí pro většinu trakčních měničů SiC/GaN automobilové třídy a průmyslových pohonů nové generace.

Výběr substrátu pro keramické desky plošných spojů AMB

Si₃N₄ — dominantní substrát AMB pro automobilový průmysl a elektromobily

Lomová houževnatost nitridu křemíku (700–1 000 MPa) absorbuje termomechanické napětí generované roztažností silné mědi během tepelných cyklů. Kombinace Si₃N₄ a AMB důsledně splňuje požadavky AEC-Q100/Q200 na tepelné cykly pro automobilový průmysl – typicky –55 ​​až +175 °C po dobu 3 000+ výkonových cyklů a –55 až +250 °C po dobu 1 000+ tepelných cyklů. Tato úroveň spolehlivosti je nyní základním požadavkem pro dodavatele elektromobilů Tier 1, kteří specifikují SiC MOSFET moduly.

AlN — AMB pro nejvyšší tepelnou vodivost

Pokud je tepelná vodivost (170–200 W/m·K) důležitější než cyklická odolnost, nabízí AlN AMB nejlepší tepelnou cestu. AlN AMB se používá ve výkonných VF zesilovačích, některých průmyslových IGBT modulech a v aplikacích, kde odvod tepla dominuje konstrukčnímu rozpočtu. Nižší lomová houževnatost AlN (300–350 MPa) však znamená, že při stejném namáhání dosáhne limitů cyklické odolnosti dříve než Si₃N₄ – kompromisem je tepelný výkon versus mechanická odolnost.

Aplikace zvyšující poptávku po AMB

Návrhové aspekty pro substráty AMB

Keramické desky plošných spojů AMB vyžadují specifickou pozornost při návrhu, která se liší od praxe DBC a organických desek plošných spojů:

Geometrie měděného vzoru ovlivňuje spolehlivost. Velké izolované měděné ostrůvky s ostrými hranami vytvářejí koncentraci napětí během tepelného cyklování. Vyhněte se poměru stran měděných plošek přesahujícímu 5:1. Poloměry rohů na měděných ploškách by měly být ≥0.5 mm, aby se snížila koncentrace napětí. Pokyny pro návrh keramických desek plošných spojů podrobně popisují tato pravidla se specifickými rozměrovými prahovými hodnotami.

Vyvážená měď na obou stranách snižuje deformaci. Nestejná tloušťka mědi na horním a spodním povrchu vytváří asymetrické tepelné roztažné síly během pájení a během provozu, což vede k prohýbání substrátu. Vyvážená metalizace mědí – neboli řízený vzor mědi na zadní straně – udržuje substrát rovný během všech tepelných výkyvů.

Návrh pájeného spoje musí zohledňovat nesoulad CTE. Rozdíl CTE mezi Si₃N₄ (~3 ppm/°C) a vývody součástek nebo deskou plošných spojů systému (~17 ppm/°C pro FR4) generuje smykové napětí v pájených spojích během tepelného cyklování. V případech, kdy nelze nesouladu CTE zabránit, použijte kompatibilní propojovací vodiče (ohebné vodiče, pružinové kontakty) nebo podložní výplň.

Strategie montáže je zásadní. Keramika je křehká – šroubová montáž bez kovových pouzder a omezení utahovacího momentu způsobí praskání substrátu. Lepení nebo upínání s kompatibilními kontaktními ploškami eliminuje bodové zatížení. Naše konstrukční příručka pro keramické desky plošných spojů se zabývá způsoby selhání při montáži a jejich prevencí.

Výrobní kapacity Highleap AMB

Často kladené dotazy

Co je keramická deska plošných spojů AMB?

Keramická deska plošných spojů AMB (Active Metal Brazing) je deska plošných spojů, kde je měděná fólie spojena s keramickým substrátem pomocí aktivní pájecí slitiny – obvykle Ag-Cu-Ti – při teplotě 800–900 °C ve vakuu. Titan reaguje s keramickým povrchem a vytváří metalurgickou vazbu. AMB vytváří nejsilnější rozhraní měď-keramika ze všech metalizačních technologií, a proto je určena pro aplikace vyžadující extrémní odolnost vůči tepelným cyklům – především pro výkonové moduly SiC a GaN v elektromobilních střídačích.

Jaký je rozdíl mezi AMB a DBC?

DBC používá eutektikum oxidu mědi při teplotě ~1 065 °C k vazbě mědi s keramikou – funguje dobře na oxidu hlinitém a AlN. AMB používá aktivní kovové pájení při teplotě 800–900 °C, které vytváří chemickou vazbu s jakýmkoli typem keramiky, včetně Si₃N₄. AMB dosahuje vyšší pevnosti v odlupování, podporuje silnější měď (až 800 µm) a poskytuje 5–10× delší životnost v tepelných cyklech než DBC na ekvivalentních substrátech. DBC zůstává cenově výhodnější pro standardní IGBT moduly s mírnými požadavky na cyklování. Podrobné specifikace DBC naleznete v našich možnostech substrátů DBC.

Proč je Si₃N₄ preferovaným substrátem pro AMB?

Si₃N₄ má 2–3krát větší lomovou houževnatost než oxid hlinitý a AlN (700–1 000 MPa oproti 300–400 MPa). V kombinaci se silnou vazbou AMB vydrží substráty Si₃N₄ AMB více než 30 000 tepelných cyklů při teplotě –55 až +250 °C – což je požadavek, který jiné keramické substráty nemohou spolehlivě splnit. Tato odolnost je důvodem, proč nyní výrobci automobilů specifikují Si₃N₄ AMB pro trakční střídače SiC s požadavky na více než 15letou záruku.

V jakých odvětvích se používají keramické desky plošných spojů AMB?

Trakční střídače pro elektromobily (moduly SiC MOSFET), průmyslové pohony motorů, měniče obnovitelné energie (solární, větrná), elektronika pro železniční trakci a vysoce spolehlivé letecké energetické systémy. Je vhodná pro všechny aplikace, kde hustota výkonu přesahuje 100 W/cm², tepelná cyklická odolnost přesahuje 10 000 cyklů nebo tloušťka mědi přesahuje 300 µm.

Jaké soubory potřebuje Highleap k cenové nabídce projektu AMB?

Soubory Gerber (měděné vrstvy, obrys, pájecí maska), výrobní výkres specifikující keramický materiál, tloušťku substrátu, tloušťku mědi, povrchovou úpravu, rozměrové tolerance a požadavky na tepelné cyklování nebo testy spolehlivosti, které musí váš modul splňovat. Pro kompletní montáž modulu přidejte kusovník a montážní výkres. Poskytneme posouzení DFM a doporučení materiálů na základě vašich specifikací výkonu a cyklování.