Fabricage van AMB keramische printplaten met zwaar koper

AMB keramische printplaten maken gebruik van actief metaalsolderen om dik koper rechtstreeks aan keramische substraten te hechten, waardoor de sterkste koper-keramische verbinding ontstaat die momenteel in productie is. Het soldeerproces maakt gebruik van een Ag-Cu-Ti-legering bij 800-900 °C onder vacuüm; het actieve titaniumelement bevochtigt het keramische oppervlak en vormt een echte metallurgische verbinding die bestand is tegen thermische cycli, waar DBC- en DPC-verbindingen uiteindelijk falen.

Deze hechtsterkte is de reden waarom AMB de dominante metallisatietechnologie is geworden voor siliciumnitride (Si₃N₄) keramische substraten — en waarom de combinatie van Si₃N₄ + AMB nu het standaard substraatplatform is voor de volgende generatie SiC- en GaN-vermogensmodules in tractie-omvormers voor elektrische voertuigen, industriële aandrijvingen en systemen voor hernieuwbare energie.

Highleap Electronics produceert AMB keramische printplaten op Si₃N₄- en AlN-substraten met koperdiktes van 0.15 mm tot 0.8 mm, geïntegreerd met onze mogelijkheden voor de assemblage van keramische printplaten en het testen van vermogensmodules.

Vraag een offerte aan voor een AMB keramische printplaat →

Hoe het AMB-proces werkt

Actief metaalsolderen verschilt fundamenteel van DBC. Bij DBC hecht koper zich aan keramiek via een koperoxide-eutecticum dat wordt gevormd bij ongeveer 1,065 °C. Het keramiek moet een oxide zijn (aluminiumoxide) of een oxidevormend oppervlak hebben om DBC betrouwbaar te laten werken. Dit beperkt de effectiviteit van DBC op niet-oxidekeramiek zoals Si₃N₄.

AMB lost dit op door een actief metaal – titanium – in de soldeerlegering te introduceren. Bij de soldeertemperatuur (800-900 °C) onder vacuüm of inerte atmosfeer reageert het titanium direct met het keramische oppervlak, waardoor een dunne reactielaag ontstaat (doorgaans TiN op Si₃N₄ of TiO op Al₂O₃) die wordt bevochtigd door het gesmolten Ag-Cu-soldeer. Het resultaat is een metallurgische verbinding tussen koper en keramiek die niet afhankelijk is van oxidevorming.

De AMB-productievolgorde:

AMB versus DBC: wanneer is deze technologie de juiste keuze?

AMB is geen universele vervanging voor DBC, maar een upgrade voor toepassingen waar DBC zijn betrouwbaarheids- of koperdiktelimieten bereikt. De keuze tussen beide hangt af van de specifieke ontwerpbeperkingen.

Gebruik DBC wanneer: uw vermogensmodule een substraat van aluminiumoxide of AlN gebruikt, de thermische cyclusvereiste minder dan ~5,000 cycli bedraagt ​​en een koperdikte van 600 µm of minder volstaat. AlN DBC-substraten blijven de kosteneffectieve keuze voor IGBT-modules in industriële UPS-systemen, lasapparaten en zonne-omvormers met een gemiddeld cyclusprofiel.

Gebruik AMB wanneer: het ontwerp een Si₃N₄-substraat voorschrijft (DBC hecht niet betrouwbaar aan Si₃N₄), de thermische levensduur meer dan 10,000 cycli bedraagt, de temperatuurschommeling (ΔT) meer dan 200 °C bedraagt, of een koperdikte van meer dan 600 µm vereist is voor stroomverwerking. Deze voorwaarden zijn van toepassing op de meeste SiC/GaN-tractieomvormers voor de automobielindustrie en industriële aandrijvingen van de volgende generatie.

Substraatselectie voor AMB keramische printplaten

Si₃N₄ — het dominante AMB-substraat voor auto's en elektrische voertuigen

De breuktaaiheid van siliciumnitride (700–1,000 MPa) absorbeert de thermomechanische spanning die ontstaat door de uitzetting van dik koper tijdens thermische cycli. De combinatie van Si₃N₄ + AMB voldoet consistent aan de AEC-Q100/Q200-eisen voor thermische cycli voor automobieltoepassingen — doorgaans van -55 tot +175 °C gedurende meer dan 3,000 vermogenscycli en van -55 tot +250 °C gedurende meer dan 1,000 thermische schokcycli. Dit betrouwbaarheidsniveau is nu een basisvereiste voor Tier-1-leveranciers van elektrische voertuigen die SiC MOSFET-modules specificeren.

AlN — AMB voor de hoogste thermische geleidbaarheid

Wanneer thermische geleidbaarheid (170–200 W/m·K) belangrijker is dan cyclusbestendigheid, biedt AlN AMB het beste thermische pad. AlN AMB wordt gebruikt in krachtige RF-versterkers, bepaalde industriële IGBT-modules en toepassingen waarbij warmteafvoer een dominante rol speelt in het ontwerpbudget. De lagere breuktaaiheid van AlN (300–350 MPa) betekent echter dat het onder gelijke belasting eerder zijn cycluslimieten bereikt dan Si₃N₄ – de afweging is thermische prestaties versus mechanische duurzaamheid.

Toepassingen die de vraag naar AMB stimuleren

Ontwerpoverwegingen voor AMB-substraten

AMB keramische printplaten vereisen specifieke ontwerpaandacht die verschilt van de werkwijze bij DBC en organische printplaten:

De geometrie van het koperpatroon beïnvloedt de betrouwbaarheid. Grote, geïsoleerde koperen eilanden met abrupte randen veroorzaken spanningsconcentraties tijdens thermische cycli. Vermijd aspectverhoudingen van koperen pads die groter zijn dan 5:1. De hoekradii van koperen pads moeten ≥ 0.5 mm zijn om spanningsconcentraties te verminderen. De ontwerprichtlijnen voor keramische printplaten beschrijven deze regels in detail met specifieke dimensionale drempelwaarden.

Een gelijkmatige koperlaag aan beide zijden vermindert kromtrekking. Een ongelijke koperdikte aan de boven- en onderkant veroorzaakt asymmetrische thermische uitzettingskrachten tijdens het solderen en tijdens gebruik, wat leidt tot kromtrekking van het substraat. Een gelijkmatige koperlaag – of een gecontroleerd koperpatroon aan de achterzijde – zorgt ervoor dat het substraat vlak blijft tijdens alle temperatuurschommelingen.

Bij het ontwerp van soldeerverbindingen moet rekening worden gehouden met het verschil in thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE). Het CTE-verschil tussen Si₃N₄ (~3 ppm/°C) en de componentdraden of de printplaat van het systeem (~17 ppm/°C voor FR4) genereert schuifspanning in de soldeerverbindingen tijdens thermische cycli. Gebruik flexibele interconnecties (flexibele draden, veerkontacten) of onderlaagvulling wanneer een CTE-verschil niet te vermijden is.

De montagestrategie is cruciaal. Keramiek is bros — montage met schroeven zonder metalen bussen en koppelbegrenzing zal het substraat doen barsten. Lijmen of klemmen met flexibele pads elimineert puntbelastingen. Onze handleiding voor het ontwerpen van printplaten met keramische basis behandelt mogelijke montagefouten en hoe deze te voorkomen.

Productiemogelijkheden van Highleap AMB

Veelgestelde Vragen / FAQ

Wat is een AMB keramische printplaat?

Een AMB (Active Metal Brazing) keramische printplaat is een printplaat waarbij koperfolie met een keramisch substraat wordt verbonden door middel van een actieve soldeerlegering – meestal Ag-Cu-Ti – bij 800-900 °C onder vacuüm. Het titanium reageert met het keramische oppervlak en vormt een metallurgische verbinding. AMB produceert de sterkste koper-keramische verbinding van alle metaalisatietechnologieën, en daarom wordt deze technologie gebruikt voor toepassingen die een extreem hoge thermische weerstand vereisen – met name SiC- en GaN-vermogensmodules in omvormers voor elektrische voertuigen.

Wat is het verschil tussen AMB en DBC?

DBC gebruikt een koperoxide-eutecticum bij ~1,065 °C om koper aan keramiek te hechten — het werkt goed op aluminiumoxide en AlN. AMB gebruikt actief metaalsolderen bij 800-900 °C, wat een chemische binding vormt met elk type keramiek, inclusief Si₃N₄. AMB bereikt een hogere afpelsterkte, ondersteunt dikker koper (tot 800 µm) en biedt een 5-10 keer langere levensduur bij thermische cycli dan DBC op equivalente substraten. DBC blijft kosteneffectiever voor standaard IGBT-modules met een gemiddelde cyclusduur. Voor gedetailleerde DBC-specificaties, zie onze DBC-substraatmogelijkheden.

Waarom is Si₃N₄ het geprefereerde substraat voor AMB?

Si₃N₄ heeft een 2 tot 3 keer hogere breuktaaiheid dan aluminiumoxide en AlN (700–1,000 MPa versus 300–400 MPa). In combinatie met de sterke binding van AMB doorstaan ​​Si₃N₄ AMB-substraten meer dan 30,000 thermische cycli bij temperaturen van –55 tot +250 °C – een eis waaraan andere keramische substraten niet betrouwbaar kunnen voldoen. Deze duurzaamheid is de reden waarom autofabrikanten nu Si₃N₄ AMB voorschrijven voor SiC-tractieomvormers met garantie-eisen van meer dan 15 jaar.

Welke industrieën gebruiken AMB keramische printplaten?

Omvormers voor elektrische voertuigen (SiC MOSFET-modules), industriële motoraandrijvingen, omvormers voor hernieuwbare energie (zonne-energie, windenergie), tractie-elektronica voor spoorwegen en uiterst betrouwbare energiesystemen voor de ruimtevaart. Elke toepassing waarbij een vermogensdichtheid van meer dan 100 W/cm², een thermische cyclus van meer dan 10,000 cycli of een koperdikte van meer dan 300 µm vereist is.

Welke bestanden heeft Highleap nodig om een ​​offerte te kunnen maken voor een AMB-project?

Gerber-bestanden (koperlagen, contouren, soldeermasker), fabricagetekening met specificaties voor keramisch materiaal, substraatdikte, koperdikte, oppervlakteafwerking, maattoleranties en de eisen voor thermische cycli of betrouwbaarheidstesten waaraan uw module moet voldoen. Voor een complete moduleassemblage kunt u een stuklijst (BOM) en assemblagetekening toevoegen. Wij verzorgen een DFM-beoordeling en materiaalaanbevelingen op basis van uw vermogens- en cyclusspecificaties.