DBC Gids voor de selectie van keramische substraten

De keuze van het juiste keramische materiaal voor DBC-substraten beïnvloedt de warmteafvoer, elektrische isolatie en betrouwbaarheid op lange termijn. Deze pagina vergelijkt aluminiumoxide (Al2O3), aluminiumnitride (AlN) en siliciumnitride (Si3N4) aan de hand van praktische technische gegevens ter ondersteuning van de materiaalkeuze voor vermogenselektronica en keramische printplaatontwerpen.
Een vergelijking van ceramic PCB material and process options helps separate the substrate choice from the metallization method before a production drawing is released.

---

DBC-keramische substraten maken gebruik van verschillende basismaterialen om een ​​balans te vinden tussen thermische geleidbaarheid, mechanische sterkte en kosten. Aluminiumoxide biedt economische prestaties voor algemene toepassingen, aluminiumnitride zorgt voor een hoge thermische geleidbaarheid voor warmte-intensieve ontwerpen en siliciumnitride verbetert de mechanische duurzaamheid bij thermische cycli. Inzicht in deze verschillen helpt ingenieurs bij het kiezen van de meest geschikte optie op basis van systeemvereisten en compatibiliteit met latere processen voor de fabricage van keramische printplaten en bredere workflows voor de productie en assemblage van printplaten.

Voor projecten die ondersteuning bij prototype- of serieproductie vereisen, kunt u hieronder direct een offerte aanvragen.

Vraag een offerte aan

---

Wat is een DBC keramisch substraat?

Een DBC-keramisch substraat combineert een keramische isolerende kern met direct verbonden koperen geleiders. De keramische laag zorgt voor elektrische isolatie, mechanische ondersteuning en warmtegeleiding tussen vermogenscomponenten en het koelsysteem. Inzicht in de beschikbare keramische materialen is essentieel voor het optimaliseren van de prestaties van een DBC-substraat in elke toepassing.

De fysieke eigenschappen van het keramische materiaal bepalen in wezen de mogelijkheden van het substraat:

• Warmtegeleiding: Regelt hoe efficiënt warmte van de vermogenscomponenten naar het koelblok wordt overgedragen.
• Thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE): Heeft invloed op de betrouwbaarheid bij thermische cycli wanneer het niet op andere materialen is afgestemd.
• Mechanische kracht: Bepaalt de weerstand tegen scheurvorming onder thermische en mechanische spanning.
• Diëlektrische sterkte: Definieert de maximale bedrijfsspanning die mogelijk is.

De parameters van het DBC-proces variëren afhankelijk van het keramische materiaal, waarbij elk materiaal specifieke bindingstemperaturen en -atmosferen vereist voor optimale resultaten.

---

2) Veelgebruikte keramische materialen in DBC

Drie keramische materialen domineren de productie van DBC-substraten, elk met distincte prestatie-eigenschappen:

2.1 Aluminiumoxide (Al₂O₃)

Aluminiumoxidekeramiek is sinds het begin van de DBC-technologie het meest gebruikte materiaal voor substraten. Aluminiumoxide is verkrijgbaar in zuiverheidsgraden van 92% tot 99.6% en biedt een gevestigde toeleveringsketen, voorspelbare verwerking en concurrerende prijzen. De zuiverheidsgraad van 96% is de meest gangbare keuze voor standaard vermogenselektronica-toepassingen.

Belangrijkste eigenschappen van 96% aluminiumoxide:

• Thermische geleidbaarheid: 24-28 W/m·K
• CTE: 7.1 ppm/°C
• Buigsterkte: 350-400 MPa
• Diëlektrische sterkte: 15-20 kV/mm

2.2 Aluminiumnitride (AlN)

Aluminiumnitride (AlN) heeft een thermische geleidbaarheid die 7 tot 10 keer hoger is dan die van aluminiumoxide (alumina), waardoor het de voorkeur geniet voor thermisch veeleisende toepassingen. Hoogwaardige AlN-keramiek bereikt thermische geleidbaarheden van 170 tot 230 W/m·K, afhankelijk van de zuiverheid en het productieproces. Deze uitzonderlijke thermische prestaties rechtvaardigen de hogere materiaalkosten in toepassingen waar warmteafvoer de vermogensdichtheid beperkt.

Belangrijkste eigenschappen van AlN:

• Thermische geleidbaarheid: 170-230 W/m·K
• CTE: 4.5 ppm/°C (uitstekende overeenkomst met 2.6 ppm/°C van silicium)
• Buigsterkte: 300-350 MPa
• Diëlektrische sterkte: 15-17 kV/mm

2.3 Siliciumnitride (Si₃N₄)

Siliciumnitride biedt de hoogste mechanische sterkte en breuktaaiheid van alle gangbare DBC-keramieksoorten. Hoewel de thermische geleidbaarheid tussen die van aluminiumoxide en AlN ligt, maakt de uitzonderlijke weerstand tegen thermische schokken en mechanische spanning het steeds populairder voor veeleisende toepassingen in de automobiel- en spoorwegindustrie, waar betrouwbaarheid op lange termijn onder zware omstandigheden van cruciaal belang is.

Belangrijkste eigenschappen van Si₃N₄:

• Thermische geleidbaarheid: 70-90 W/m·K
• CTE: 2.6 ppm/°C (komt vrijwel overeen met silicium)
• Buigsterkte: 700-900 MPa
• Breuktaaiheid: 6-7 MPa·m^½

3) AlN vs Al₂O₃ vs Si₃N₄ DBC-substraten

Bij de keuze tussen keramische materialen moet een afweging worden gemaakt tussen verschillende prestatiefactoren, kosten en beschikbaarheid. De volgende vergelijking belicht de belangrijkste verschillen die relevant zijn voor de selectie van het substraat.

3.1 Rangschikking van thermische prestaties

AlN > Si₃N₄ > Al₂O₃

AlN-substraten verminderen de thermische weerstand tussen de junctie en de behuizing met 60-70% in vergelijking met aluminiumoxide bij identieke geometrieën. Dit thermische voordeel vertaalt zich direct in een hoger vermogen of lagere bedrijfstemperaturen.

3.2 Rangschikking van mechanische betrouwbaarheid

Si₃N₄ > Al₂O₃ > AlN

De superieure breuktaaiheid van siliciumnitride maakt het veel beter bestand tegen scheuren als gevolg van thermische schokken of mechanische spanning. Si₃N₄ DBC-substraten doorstaan ​​doorgaans meer dan 5,000 thermische cycli, terwijl AlN-substraten met een identiek ontwerp na 3,000 cycli al kunnen bezwijken.

3.3 Kostenrangschikking (laag naar hoog)

Al₂O₃ < AlN < Si₃N₄

Alumina DBC-substraten kosten doorgaans 30-50% minder dan AlN-equivalenten, terwijl Si₃N₄ een hogere prijs heeft vanwege de complexere eisen aan de keramische verwerking. Volume en complexiteit van de specificaties hebben een aanzienlijke invloed op de uiteindelijke prijs.

3.4 CTE-match met silicium

Si₃N₄ (2.6 ppm/°C) ≈ Silicium (2.6 ppm/°C) < AlN (4.5 ppm/°C) < Al₂O₃ (7.1 ppm/°C)

Een nauwe afstemming van de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) tussen het substraat en de halfgeleiderchip vermindert de thermische spanning op soldeerverbindingen en chipbevestigingsinterfaces, waardoor de betrouwbaarheid bij thermische cycli verbetert.

---

4) Vergelijking van thermische en elektrische prestaties

Inzicht in kwantitatieve prestatieverschillen helpt ingenieurs bij het maken van materiaalkeuzes op basis van toepassingsvereisten. Ontdek het bredere aanbod aan keramische printplaattechnologieën op onze overzichtspagina voor keramische printplaten .

4.1 Vergelijking van de thermische weerstand

Voor een keramisch substraat van 1 mm dik met een afmeting van 10 mm × 10 mm:

• Al₂O₃: thermische weerstand van ~0.42 °C/W
• AlN: thermische weerstand van ~0.05 °C/W
• Si₃N₄: thermische weerstand van ~0.13 °C/W

Deze verschillen worden nog groter bij het ontwerpen voor specifieke junctietemperaturen, wat direct van invloed is op de haalbare vermogensdichtheid.

4.2 Diëlektrische prestaties

Alle drie de keramische materialen bieden uitstekende elektrische isolatie voor vermogenselektronica-toepassingen. Belangrijke aandachtspunten:

• Ontladingsspanning bij gedeeltelijke ontlading: Aluminiumnitride (AlN) vertoont doorgaans een lagere partiële ontladingsspanning dan aluminiumoxide bij een gelijke dikte, wat in overweging moet worden genomen bij ontwerpen voor hoge spanningen.
• Volumeweerstand: Alle drie de materialen behouden een soortelijke weerstand van >10^14 Ω·cm bij kamertemperatuur, die aanzienlijk daalt bij hogere temperaturen.
• Verlies tangens: Van cruciaal belang voor RF-toepassingen: AlN biedt het laagste diëlektrische verlies van deze keramische materialen.

5) Toepassingsgerichte materiaalselectie

De optimale keuze voor keramiek hangt sterk af van de toepassingseisen. De volgende richtlijnen helpen bij het kiezen van materialen die aansluiten bij veelvoorkomende gebruikssituaties.

5.1 Kies aluminiumoxide (Al₂O₃) wanneer:

• Kostenoptimalisatie is een prioriteit.
• De thermische eisen zijn matig (vermogensdichtheid <50 W/cm²).
• De bedrijfstemperaturen blijven onder de 150°C
• Het ontwerp biedt ruimte voor een groter substraatoppervlak voor warmteverspreiding.
• Standaard industriële motoraandrijvingen, UPS-systemen en algemene voedingen

5.2 Kies aluminiumnitride (AlN) wanneer:

• Maximale thermische prestaties zijn vereist.
• Vermogensdichtheid overschrijdt 100 W/cm²
• Door de beperkte afmetingen kan warmte zich niet goed verspreiden met aluminiumoxide.
• SiC- of GaN-apparaten met een brede bandgap vereisen verbeterde koeling.
• Omvormers voor elektrische voertuigen, vermogenselektronica voor de lucht- en ruimtevaart en hoogfrequente RF-versterkers.

5.3 Kies siliciumnitride (Si₃N₄) wanneer:

• Extreem hoge betrouwbaarheid bij thermische cycli is vereist (>5,000 cycli).
• De toepassing omvat ernstige thermische transiënten.
• Mechanische schokken en trillingen vormen een aanzienlijk aandachtspunt.
• Lange garantieperioden vereisen uitzonderlijke betrouwbaarheid.
• Automobiel aandrijfsystemen, spoorwegomvormers en uiterst betrouwbare industriële apparatuur

---

6) Het juiste DBC-keramische substraat kiezen

Bij de materiaalkeuze moeten technische eisen worden afgewogen tegen praktische beperkingen. Door samen te werken met een ervaren fabrikant van DBC-substraten krijgt u toegang tot expertise op het gebied van toepassingen en advies over materialen.

6.1 Belangrijke vragen die tijdens de materiaalselectie aan bod moeten komen

• Wat is de maximaal toelaatbare junctietemperatuur? Dit bepaalt de vereiste thermische prestaties.
• Welk thermisch cyclusprofiel zal het substraat ondergaan? Bij zware belasting kan Si₃N₄ nodig zijn, ongeacht de thermische eisen.
• Welke bedrijfsspanning is vereist? Dit bepaalt de minimale dikte van het keramische materiaal.
• Wat is de beoogde kostprijs per eenheid? Bij massaproductie kan het gebruik van hoogwaardigere materialen gerechtvaardigd zijn door een hogere opbrengst.
• Wat zijn de afmetingsbeperkingen? Een beperkt oppervlak kan AlN vereisen om de beoogde thermische prestaties te bereiken.

Highleap Electronics biedt technisch advies over de selectie van keramische materialen, waardoor ingenieurs een balans kunnen vinden tussen prestaties, betrouwbaarheid en kosten. Onze mogelijkheden variëren van PCB-fabricage tot geavanceerde DBC-substraatproductie, en we ondersteunen projecten van concept tot massaproductie.

Voor meer informatie over terminologie en een goed begrip van de basisprincipes, kunt u onze pagina met de definitie van direct gebonden koperen substraten raadplegen.

Vraag om materiaalconsultatie