Raskas kupari AMB-keraamisten piirilevyjen valmistus

AMB-keraamisissa piirilevyissä käytetään aktiivista metallijuotetta paksun kuparin liittämiseen suoraan keraamisiin alustoihin – luoden vahvimman tällä hetkellä tuotannossa olevan kupari-keraaminen rajapinnan. Juotosprosessissa käytetään Ag-Cu-Ti-seosta 800–900 °C:ssa tyhjiössä; aktiivinen titaanielementti kostuttaa keraamisen pinnan ja muodostaa todellisen metallurgisen sidoksen, joka kestää lämpövaihteluita, joissa DBC- ja DPC-liitokset lopulta pettävät.

Tämä sidoslujuus on syy siihen, miksi AMB:stä on tullut hallitseva metallointitekniikka piinitridi (Si₃N₄) -keraamisille alustoille – ja miksi Si₃N₄:n ja AMB:n yhdistelmä on nyt standardialusta seuraavan sukupolven SiC- ja GaN-tehomoduuleille sähköajoneuvojen vetoinverttereissä, teollisuuskäytöissä ja uusiutuvan energian järjestelmissä.

Highleap Electronics valmistaa AMB-keraamisia piirilevyjä Si₃N₄- ja AlN-alustoille, joiden kuparin paksuus on 0.15 mm - 0.8 mm. Tarjoamme integroituja keraamisten piirilevyjen kokoonpano- ja tehomoduulien testausominaisuuksiimme.

Pyydä tarjous AMB-keraamisista piirilevyistä →

Miten AMB-prosessi toimii

Aktiivinen metallin juottaminen eroaa perustavanlaatuisesti DBC:stä. DBC:ssä kupari sitoutuu keraamiin noin 1 065 °C:ssa muodostuvan kuparioksidieutektisen kerroksen kautta – keraamin on oltava oksidi (alumiinioksidi) tai siinä on oltava oksidia muodostava pinta, jotta DBC toimisi luotettavasti. Tämä rajoittaa DBC:n tehokkuutta ei-oksidikeraamien, kuten Si₃N₄:n, kanssa.

AMB ratkaisee tämän lisäämällä kovajuotosseokseen aktiivista metallia – titaania. Juotoslämpötilassa (800–900 °C) tyhjiössä tai inertissä ilmakehässä titaani reagoi suoraan keraamisen pinnan kanssa muodostaen ohuen reaktiokerroksen (tyypillisesti TiN Si₃N₄:n päällä tai TiO Al₂O₃:n päällä), jonka sula Ag-Cu-juotos kostuttaa. Tuloksena on metallurginen sidos kuparin ja keraamin välille, joka ei ole riippuvainen oksidin muodostumisesta.

AMB:n valmistusjärjestys:

AMB vs. DBC: Kun kumpikin teknologia on oikea valinta

AMB ei ole universaali korvaaja DBC:lle – se on päivitys sovelluksiin, joissa DBC saavuttaa luotettavuus- tai kuparin paksuusrajansa. Valinta niiden välillä riippuu suunnittelun erityisrajoituksista.

Käytä DBC:tä, kun: tehomoduulissasi käytetään alumiinioksidia tai AlN-substraattia, lämpösyklien vaatimus on alle ~5 000 sykliä ja kuparin paksuus 600 µm tai vähemmän on riittävä. AlN DBC -substraatit ovat edelleen kustannustehokas valinta IGBT-moduuleille teollisuus-UPS-laitteissa, hitsauslaitteissa ja aurinkoinverttereissä, joilla on kohtalainen sykliprofiili.

Käytä AMB-komposiittia, kun: suunnittelussa on määritelty Si₃N₄-substraatti (DBC ei sitoudu luotettavasti Si₃N₄:iin), lämpösyklien käyttöikä ylittää 10 000 sykliä, lämpötilan vaihtelu (ΔT) ylittää 200 °C tai virrankäsittelyyn vaaditaan yli 600 µm:n kuparin paksuus. Nämä ehdot koskevat useimpia autoteollisuuden SiC/GaN-vetoinverttereitä ja seuraavan sukupolven teollisuuskäyttöjä.

AMB-keraamisten piirilevyjen alustan valinta

Si₃N₄ — auto- ja sähköautojen vallitseva AMB-substraatti

Piinitridin murtumissitkeys (700–1 000 MPa) vaimentaa paksun kuparin laajenemisen aiheuttamaa termomekaanista rasitusta lämpösyklien aikana. Si₃N₄:n ja AMB:n yhdistelmä täyttää jatkuvasti AEC-Q100/Q200-lämpösyklien vaatimukset autoteollisuuden laatuvaatimuksille – tyypillisesti –55...+175 °C yli 3 000 virransyöttösyklin ajan ja –55...+250 °C yli 1 000 lämpöshokkisyklin ajan. Tämä luotettavuustaso on nyt perusvaatimus sähköautojen Tier-1-toimittajille, jotka määrittävät SiC MOSFET -moduuleja.

AlN — AMB korkeimman lämmönjohtavuuden saavuttamiseksi

Kun lämmönjohtavuus (170–200 W/m·K) on tärkeämpää kuin syklin kestävyys, AlN AMB tarjoaa parhaan lämpöreitin. AlN AMB:tä käytetään suuritehoisissa RF-vahvistimissa, tietyissä teollisissa IGBT-moduuleissa ja sovelluksissa, joissa lämmönpoisto on suunnittelubudjetin kannalta hallitseva tekijä. AlN:n alhaisempi murtumissitkeys (300–350 MPa) tarkoittaa kuitenkin, että se saavuttaa syklin rajat nopeammin kuin Si₃N₄ vastaavassa rasituksessa – kompromissi on terminen suorituskyky vs. mekaaninen kestävyys.

AMB-kysyntää ajavat sovellukset

AMB-alustojen suunnittelunäkökohdat

AMB-keraamiset piirilevyt vaativat erityistä suunnitteluhuomiota, joka eroaa DBC- ja orgaanisten piirilevyjen käytännöistä:

Kuparikuvioiden geometria vaikuttaa luotettavuuteen. Suuret, erilliset kuparisaarekkeet jyrkillä reunoilla luovat jännityskeskittymiä lämpösyklien aikana. Vältä kuparipaikkojen sivusuhteita, jotka ylittävät 5:1. Kuparipintojen kulmasäteiden tulisi olla ≥0.5 mm jännityskeskittymien vähentämiseksi. Keraamisten piirilevyjen suunnitteluohjeissa nämä säännöt on esitetty erityisillä mittakynnyksillä.

Tasapainotettu kupari molemmilla puolilla vähentää vääntymistä. Epätasainen kuparin paksuus ylä- ja alapinnoilla luo epäsymmetrisiä lämpölaajenemisvoimia juottamisen ja käytön aikana, mikä johtaa substraatin taipumiseen. Tasapainotettu kuparin metallointi – tai hallittu kuparikuviointi takapuolella – pitää substraatin tasaisena kaikkien lämpötilan vaihteluiden aikana.

Juotosliitoksen suunnittelussa on otettava huomioon CTE-ero. Si₃N₄:n (~3 ppm/°C) ja komponenttijohtimien tai järjestelmäpiirilevyn (~17 ppm/°C FR4:lle) välinen CTE-ero aiheuttaa leikkausjännitystä juotosliitoksiin lämpösyklin aikana. Käytä yhteensopivia liittimiä (joustavat johdot, jousiliittimet) tai täytä liittimillä, jos CTE-eroa ei voida välttää.

Kiinnitysstrategia on ratkaisevan tärkeä. Keraaminen on haurasta – ruuvikiinnitys ilman metalliholkkeja ja vääntömomenttirajoituksia halkaisee alustan. Liimaus tai kiinnitys yhteensopivilla tyynyillä poistaa pistemäiset kuormat. Keraaminen piirilevysuunnitteluoppaamme kattaa kiinnityksen vikatyypit ja niiden ehkäisyn.

Highleapin AMB-valmistuskyvyt

Usein Kysytyt Kysymykset

Mikä on AMB-keraaminen piirilevy?

AMB (Active Metal Brazing) -keraaminen piirilevy on piirilevy, jossa kuparifolio on liimattu keraamiseen alustaan ​​aktiivisella juotosseoksella – tyypillisesti Ag-Cu-Ti – 800–900 °C:ssa tyhjiössä. Titaani reagoi keraamisen pinnan kanssa muodostaen metallurgisen sidoksen. AMB tuottaa vahvimman kupari-keraaminen rajapinnan kaikista metallointitekniikoista, minkä vuoksi se on määritelty sovelluksissa, jotka vaativat äärimmäistä lämmönvaihteluiden kestävyyttä – ensisijaisesti SiC- ja GaN-tehomoduuleille sähköautojen inverttereissä.

Mitä eroa on AMB:llä ja DBC:llä?

DBC käyttää kuparioksidieutektista ainetta noin 1 065 °C:ssa kuparin ja keraamin liittämiseen – se toimii hyvin alumiinioksidin ja AlN:n kanssa. AMB käyttää aktiivista metallin juottamista 800–900 °C:ssa, mikä muodostaa kemiallisen sidoksen minkä tahansa keraamityypin, mukaan lukien Si₃N₄, kanssa. AMB saavuttaa korkeamman kuoriutumislujuuden, tukee paksumpaa kuparia (jopa 800 µm) ja tarjoaa 5–10 kertaa pidemmän lämpösyklien keston kuin DBC vastaavilla alustoilla. DBC on edelleen kustannustehokkaampi tavallisille IGBT-moduuleille, joilla on kohtalaiset syklien vaatimukset. Katso yksityiskohtaiset DBC-spesifikaatiot DBC-alustojen ominaisuuksistamme.

Miksi Si₃N₄ on AMB:n ensisijainen substraatti?

Si₃N₄:n murtolujuus on 2–3 kertaa alumiinioksidin ja AlN:n murtolujuus (700–1 000 MPa vs. 300–400 MPa). Yhdessä AMB:n vahvan sidoksen kanssa Si₃N₄ AMB -substraatit kestävät yli 30 000 lämpösykliä –55–+250 °C:n lämpötilassa – vaatimus, jota muut keraamiset substraatit eivät pysty luotettavasti täyttämään. Tämän kestävyyden vuoksi autovalmistajat määrittävät nyt Si₃N₄ AMB:n piikarbidivetoisille inverttereille yli 15 vuoden takuuvaatimuksilla.

Mitkä teollisuudenalat käyttävät AMB-keraamisia piirilevyjä?

Sähköautojen vetoinvertterit (SiC MOSFET -moduulit), teollisuusmoottorikäytöt, uusiutuvan energian muuntimet (aurinko- ja tuulienergia), rautateiden vetoelektroniikka ja erittäin luotettavat ilmailu- ja avaruustekniikan sähköjärjestelmät. Kaikki sovellukset, joissa tehotiheys ylittää 100 W/cm², lämpösyklien kesto ylittää 10 000 sykliä tai kuparin paksuus on yli 300 µm.

Mitä tiedostoja Highleap tarvitsee AMB-projektin tarjouksen tekemiseen?

Gerber-tiedostot (kuparikerrokset, ääriviivat, juotosmaski), valmistuspiirustukset, joissa määritetään keraaminen materiaali, alustan paksuus, kuparin paksuus, pinnanlaatu, mittatoleranssit sekä moduulisi täyttämät lämpösykli- tai luotettavuustestivaatimukset. Avaimet käteen -moduulikokoonpanoa varten lisää osaluettelo ja kokoonpanopiirustus. Tarjoamme DFM-tarkistuksen ja materiaalisuositukset teho- ja syklimääritystesi perusteella.