Herstellung von AMB-Keramik-Leiterplatten mit hohem Kupferanteil

AMB-Keramik-Leiterplatten nutzen aktives Metalllöten, um dickes Kupfer direkt mit Keramiksubstraten zu verbinden – wodurch die derzeit stärkste Kupfer-Keramik-Verbindung entsteht. Beim Lötverfahren wird eine Ag-Cu-Ti-Legierung bei 800–900 °C unter Vakuum verwendet. Das aktive Titanelement benetzt die Keramikoberfläche und bildet eine echte metallurgische Verbindung, die auch Temperaturwechselbeanspruchungen standhält, bei denen DBC- und DPC-Verbindungen versagen.

Diese Bindungsstärke ist der Grund, warum AMB zur dominierenden Metallisierungstechnologie für Siliziumnitrid (Si₃N₄)-Keramiksubstrate geworden ist – und warum die Kombination aus Si₃N₄ und AMB heute die Standardsubstratplattform für SiC- und GaN-Leistungsmodule der nächsten Generation in EV-Traktionswechselrichtern, Industrieantrieben und Systemen für erneuerbare Energien darstellt.

Highleap Electronics fertigt AMB-Keramik-Leiterplatten auf Si₃N₄- und AlN-Substraten mit Kupferdicken von 0.15 mm bis 0.8 mm und integriert diese mit unseren Kapazitäten für die Montage von Keramik-Leiterplatten und die Prüfung von Leistungsmodulen.

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So funktioniert der AMB-Prozess

Aktives Metalllöten unterscheidet sich grundlegend vom DBC-Verfahren. Beim DBC verbindet sich Kupfer über ein bei ca. 1,065 °C gebildetes Kupferoxid-Eutektikum mit der Keramik. Für ein zuverlässiges Funktionieren des DBC-Verfahrens muss die Keramik ein Oxid (Aluminiumoxid) sein oder eine oxidbildende Oberfläche aufweisen. Dies schränkt die Wirksamkeit des DBC-Verfahrens bei Nichtoxidkeramiken wie Si₃N₄ ein.

AMB löst dieses Problem durch die Zugabe eines aktiven Metalls – Titan – zur Lötlegierung. Bei der Löttemperatur (800–900 °C) unter Vakuum oder inerter Atmosphäre reagiert das Titan direkt mit der Keramikoberfläche und bildet eine dünne Reaktionsschicht (typischerweise TiN auf Si₃N₄ oder TiO auf Al₂O₃), die vom geschmolzenen Ag-Cu-Lot benetzt wird. Das Ergebnis ist eine metallurgische Verbindung zwischen Kupfer und Keramik, die nicht von der Bildung von Oxiden abhängt.

Die AMB-Fertigungssequenz:

AMB vs. DBC: Wann welche Technologie die richtige Wahl ist

AMB ist kein universeller Ersatz für DBC – es stellt eine Verbesserung für Anwendungen dar, bei denen DBC an seine Zuverlässigkeits- oder Kupferdickengrenzen stößt. Die Wahl zwischen den beiden Verfahren hängt von den jeweiligen Konstruktionsanforderungen ab.

Verwenden Sie DBC, wenn: Ihr Leistungsmodul ein Aluminiumoxid- oder AlN-Substrat verwendet, die Anforderungen an die Temperaturwechselbeanspruchung unter ca. 5,000 Zyklen liegen und eine Kupferdicke von 600 µm oder weniger ausreichend ist. AlN -DBC-Substrate sind nach wie vor die kostengünstige Wahl für IGBT-Module in industriellen USV-Anlagen, Schweißgeräten und Solarwechselrichtern mit moderaten Temperaturwechselbeanspruchungen.

Verwenden Sie AMB, wenn: die Konstruktion ein Si₃N₄-Substrat vorschreibt (DBC haftet nicht zuverlässig auf Si₃N₄), die Lebensdauer unter Temperaturwechselbeanspruchung 10,000 Zyklen überschreitet, die Temperaturschwankung (ΔT) 200 °C übersteigt oder eine Kupferdicke von über 600 µm für die Stromführung erforderlich ist. Diese Bedingungen treffen auf die meisten SiC/GaN-Traktionsumrichter für die Automobilindustrie und industrielle Antriebe der nächsten Generation zu.

Substratauswahl für AMB-Keramik-Leiterplatten

Si₃N₄ – das dominierende AMB-Substrat für Automobile und Elektrofahrzeuge

Die Bruchzähigkeit von Siliziumnitrid (700–1,000 MPa) absorbiert die thermomechanischen Spannungen, die durch die Ausdehnung dicker Kupferschichten bei Temperaturwechselbeanspruchung entstehen. Die Kombination aus Si₃N₄ und AMB erfüllt durchgängig die Anforderungen der AEC-Q100/Q200-Normen für Temperaturwechselbeanspruchung im Automobilbereich – typischerweise –55 bis +175 °C über mehr als 3,000 Leistungszyklen und –55 bis +250 °C über mehr als 1,000 Temperaturwechselzyklen. Dieses Zuverlässigkeitsniveau ist mittlerweile eine Grundvoraussetzung für Tier-1-Zulieferer von Elektrofahrzeugen, die SiC-MOSFET-Module spezifizieren.

AlN — AMB für höchste Wärmeleitfähigkeit

Wenn die Wärmeleitfähigkeit (170–200 W/m·K) wichtiger ist als die Zyklenfestigkeit, bietet AlN-AMB die beste Wärmeleitfähigkeit. AlN-AMB wird in Hochleistungs-HF-Verstärkern, bestimmten industriellen IGBT-Modulen und Anwendungen eingesetzt, bei denen die Wärmeabfuhr den größten Teil des Designbudgets ausmacht. Die geringere Bruchzähigkeit von AlN (300–350 MPa) führt jedoch dazu, dass es unter vergleichbarer Belastung schneller an seine Zyklenfestigkeitsgrenzen stößt als Si₃N₄ – der Kompromiss besteht also zwischen thermischer Leistung und mechanischer Belastbarkeit.

Anwendungen, die die Nachfrage nach AMB antreiben

Designüberlegungen für AMB-Substrate

AMB-Keramik-Leiterplatten erfordern eine besondere Designaufmerksamkeit, die sich von der Praxis bei DBC- und organischen Leiterplatten unterscheidet:

Die Geometrie von Kupferstrukturen beeinflusst die Zuverlässigkeit. Große, isolierte Kupferinseln mit scharfen Kanten führen bei Temperaturwechselbeanspruchung zu Spannungskonzentrationen. Vermeiden Sie Seitenverhältnisse von Kupferflächen von mehr als 5:1. Die Eckradien der Kupferpads sollten mindestens 0.5 mm betragen, um Spannungskonzentrationen zu reduzieren. Die Designrichtlinien für Keramik-Leiterplatten beschreiben diese Regeln detailliert mit spezifischen Maßgrenzen.

Eine gleichmäßige Kupferbeschichtung auf beiden Seiten reduziert Verformungen. Ungleiche Kupferdicken auf Ober- und Unterseite führen beim Löten und im Betrieb zu asymmetrischen Wärmeausdehnungskräften und damit zu einer Verformung des Substrats. Eine gleichmäßige Kupfermetallisierung – oder ein kontrolliertes Kupfermuster auf der Rückseite – sorgt dafür, dass das Substrat auch bei hohen Temperaturschwankungen plan bleibt.

Bei der Lötstellenkonstruktion muss die unterschiedliche Wärmeausdehnung (CTE) berücksichtigt werden. Der Unterschied in der Wärmeausdehnung zwischen Si₃N₄ (~3 ppm/°C) und den Bauteilanschlüssen oder der Systemleiterplatte (~17 ppm/°C für FR4) erzeugt während der Temperaturwechselbeanspruchung Scherspannungen in den Lötstellen. Verwenden Sie nachgiebige Verbindungsleitungen (flexible Anschlüsse, Federkontakte) oder Underfill, wenn sich die unterschiedliche Wärmeausdehnung nicht vermeiden lässt.

Die Montagestrategie ist entscheidend. Keramik ist spröde – Verschraubungen ohne Metallbuchsen und Drehmomentbegrenzungen führen zu Rissen im Substrat. Klebeverbindungen oder Klemmen mit nachgiebigen Pads vermeiden Punktbelastungen. Unser Leitfaden zur Entwicklung von Leiterplatten mit Keramikbasis behandelt Montagefehlerarten und deren Vermeidung.

Highleap AMB Fertigungskapazitäten

Häufig gestellte Fragen

Was ist eine AMB-Keramik-Leiterplatte?

Eine AMB-Keramik-Leiterplatte (Active Metal Brazing) ist eine Leiterplatte, bei der Kupferfolie mittels einer aktiven Lötlegierung – typischerweise Ag-Cu-Ti – bei 800–900 °C unter Vakuum mit einem Keramiksubstrat verbunden wird. Das Titan reagiert mit der Keramikoberfläche und bildet eine metallurgische Verbindung. AMB erzeugt die stärkste Kupfer-Keramik-Grenzfläche aller Metallisierungstechnologien und wird daher für Anwendungen mit extremen Anforderungen an die Temperaturwechselbeständigkeit eingesetzt – vor allem für SiC- und GaN-Leistungsmodule in Wechselrichtern für Elektrofahrzeuge.

Worin besteht der Unterschied zwischen AMB und DBC?

DBC nutzt ein Kupferoxid-Eutektikum bei ca. 1,065 °C, um Kupfer mit Keramik zu verbinden – es eignet sich gut für Aluminiumoxid und AlN. AMB verwendet aktives Metalllöten bei 800–900 °C, wodurch eine chemische Bindung mit jedem Keramiktyp, einschließlich Si₃N₄, entsteht. AMB erzielt eine höhere Schälfestigkeit, ermöglicht dickere Kupferschichten (bis zu 800 µm) und bietet eine 5–10-mal längere Lebensdauer unter Temperaturwechselbeanspruchung als DBC auf vergleichbaren Substraten. DBC ist weiterhin kostengünstiger für Standard-IGBT-Module mit moderaten Anforderungen an die Temperaturwechselbeanspruchung. Detaillierte Spezifikationen zu DBC finden Sie in unserer Dokumentation zu DBC-Substraten.

Warum ist Si₃N₄ das bevorzugte Substrat für AMB?

Si₃N₄ weist eine 2- bis 3-fach höhere Bruchzähigkeit als Aluminiumoxid und AlN auf (700–1,000 MPa gegenüber 300–400 MPa). In Kombination mit der starken AMB-Bindung überstehen Si₃N₄-AMB-Substrate mehr als 30,000 Temperaturzyklen bei –55 bis +250 °C – eine Anforderung, die andere Keramiksubstrate nicht zuverlässig erfüllen können. Aufgrund dieser Langlebigkeit spezifizieren Automobilhersteller Si₃N₄-AMB mittlerweile für SiC-Traktionsumrichter mit Garantieanforderungen von über 15 Jahren.

In welchen Branchen werden AMB-Keramik-Leiterplatten verwendet?

Elektrofahrzeug-Traktionswechselrichter (SiC-MOSFET-Module), industrielle Motorantriebe, Umrichter für erneuerbare Energien (Solar, Wind), Bahnelektronik und hochzuverlässige Stromversorgungssysteme für die Luft- und Raumfahrt. Überall dort, wo eine Leistungsdichte von über 100 W/cm², eine thermische Zyklenzahl von über 10,000 oder eine Kupferdicke von über 300 µm erforderlich ist.

Welche Dateien benötigt Highleap, um ein AMB-Projekt zu kalkulieren?

Gerber-Dateien (Kupferlagen, Kontur, Lötstopplack), Fertigungszeichnung mit Angabe des Keramikmaterials, der Substratdicke, der Kupferdicke, der Oberflächenbeschaffenheit, der Maßtoleranzen und der Anforderungen an die Temperaturwechsel- oder Zuverlässigkeitsprüfung, die Ihr Modul erfüllen muss. Für die schlüsselfertige Modulmontage fügen Sie bitte die Stückliste und die Montagezeichnung hinzu. Wir bieten eine DFM-Prüfung und Materialempfehlungen basierend auf Ihren Leistungs- und Zyklusspezifikationen.