Produkcja płytek PCB z grubej miedzi AMB Ceramic

Ceramiczne płytki PCB AMB wykorzystują aktywne lutowanie twarde do bezpośredniego łączenia grubych warstw miedzi z podłożami ceramicznymi – tworząc najmocniejszy obecnie dostępny na rynku interfejs miedź-ceramika. Proces lutowania twardego wykorzystuje stop Ag-Cu-Ti w temperaturze 800–900°C w próżni; aktywny element tytanowy zwilża powierzchnię ceramiki i tworzy prawdziwe połączenie metalurgiczne, które wytrzymuje cykle termiczne, w których połączenia DBC i DPC ostatecznie ulegają uszkodzeniu.

Ta wytrzymałość wiązania jest powodem, dla którego AMB stała się dominującą technologią metalizacji podłoży ceramicznych z azotku krzemu (Si₃N₄) — i dlaczego połączenie Si₃N₄ + AMB jest obecnie standardową platformą podłoża dla modułów mocy SiC i GaN nowej generacji w falownikach trakcyjnych pojazdów elektrycznych, napędach przemysłowych i systemach energii odnawialnej.

Firma Highleap Electronics produkuje ceramiczne płytki PCB AMB na podłożach Si₃N₄ i AlN o grubości miedzi od 0.15 mm do 0.8 mm, zintegrowane z naszymi możliwościami montażu płytek ceramicznych i testowania modułów mocy.

Uzyskaj wycenę płytki PCB AMB Ceramic →

Jak działa proces AMB

Aktywne lutowanie twarde różni się zasadniczo od metody DBC. W metodzie DBC miedź łączy się z ceramiką poprzez eutektykę tlenku miedzi, utworzoną w temperaturze około 1,065°C — aby metoda DBC działała niezawodnie, ceramika musi być tlenkiem (tlenku glinu) lub mieć powierzchnię tworzącą tlenki. Ogranicza to skuteczność metody DBC w przypadku ceramiki beztlenkowej, takiej jak Si₃N₄.

AMB rozwiązuje ten problem, wprowadzając aktywny metal – tytan – do stopu lutowniczego. W temperaturze lutowania (800–900°C) w próżni lub atmosferze obojętnej, tytan reaguje bezpośrednio z powierzchnią ceramiki, tworząc cienką warstwę reakcyjną (zwykle TiN na Si₃N₄ lub TiO na Al₂O₃), która jest zwilżana przez stopiony lut Ag-Cu. W rezultacie powstaje metalurgiczne połączenie miedzi z ceramiką, niezależne od tworzenia się tlenków.

Sekwencja produkcji AMB:

AMB kontra DBC: Kiedy każda technologia jest właściwym wyborem

AMB nie jest uniwersalnym zamiennikiem DBC — to ulepszenie dla zastosowań, w których DBC osiąga granice niezawodności lub grubości miedzi. Wybór między nimi zależy od konkretnych ograniczeń konstrukcyjnych.

Stosuj DBC, gdy: moduł mocy wykorzystuje podłoże z tlenku glinu lub AlN, wymagana liczba cykli termicznych wynosi poniżej ~5,000, a grubość miedzi 600 µm lub mniej jest wystarczająca. Podłoża AlN DBC pozostają ekonomicznym wyborem dla modułów IGBT w przemysłowych zasilaczach UPS, spawarkach i inwerterach słonecznych o umiarkowanym profilu cykli.

Stosuj AMB, gdy: projekt przewiduje podłoże Si₃N₄ (DBC nie wiąże się niezawodnie z Si₃N₄), żywotność cykli termicznych przekracza 10 000 cykli, wahania temperatury (ΔT) przekraczają 200°C lub wymagana jest grubość miedzi powyżej 600 µm do przesyłu prądu. Warunki te dotyczą większości falowników trakcyjnych SiC/GaN klasy motoryzacyjnej oraz napędów przemysłowych nowej generacji.

Wybór podłoża dla płytek PCB AMB Ceramic

Si₃N₄ — dominujący substrat AMB do zastosowań w motoryzacji i pojazdach elektrycznych

Wytrzymałość na pękanie azotku krzemu (700–1,000 MPa) absorbuje naprężenia termomechaniczne generowane przez rozszerzalność cieplną grubej miedzi podczas cyklicznych zmian temperatury. Połączenie Si₃N₄ + AMB konsekwentnie spełnia wymagania AEC-Q100/Q200 dotyczące cyklicznych zmian temperatury w przemyśle motoryzacyjnym – zazwyczaj od –55 do +175°C przez ponad 3,000 cykli mocy i od –55 do +250°C przez ponad 1,000 cykli szoków termicznych. Ten poziom niezawodności jest obecnie podstawowym wymogiem dla dostawców pojazdów elektrycznych Tier-1, którzy specyfikują moduły MOSFET SiC.

AlN — AMB dla najwyższej przewodności cieplnej

Gdy przewodność cieplna (170–200 W/m·K) jest ważniejsza niż wytrzymałość na cykle, materiał AlN AMB oferuje najlepszą ścieżkę termiczną. Materiał AlN AMB jest stosowany we wzmacniaczach RF dużej mocy, niektórych przemysłowych modułach IGBT oraz w zastosowaniach, w których odprowadzanie ciepła jest głównym czynnikiem wpływającym na budżet projektu. Jednak niższa wytrzymałość na pękanie materiału AlN (300–350 MPa) oznacza, że ​​osiąga on granice wytrzymałości na cykle szybciej niż Si₃N₄ pod naprężeniem równoważnym — kompromisem jest wydajność termiczna w porównaniu z wytrzymałością mechaniczną.

Aplikacje napędzające popyt na AMB

Rozważania projektowe dotyczące podłoży AMB

Ceramiczne płytki PCB AMB wymagają szczególnej uwagi projektowej, która różni się od praktyki DBC i organicznych płytek PCB:

Geometria wzoru miedzi wpływa na niezawodność. Duże, odizolowane wyspy miedziane o ostrych krawędziach powodują koncentrację naprężeń podczas cykli termicznych. Należy unikać współczynników kształtu łatek miedzianych przekraczających 5:1. Promienie narożników na padach miedzianych powinny wynosić ≥0.5 mm, aby zmniejszyć koncentrację naprężeń. Wytyczne projektowe dla ceramicznych płytek PCB szczegółowo opisują te zasady, podając konkretne progi wymiarowe.

Zrównoważona miedź po obu stronach redukuje odkształcenia. Nierównomierna grubość miedzi na górnej i dolnej powierzchni powoduje asymetryczne siły rozszerzalności cieplnej podczas lutowania i pracy, co prowadzi do wyginania się podłoża. Zrównoważona metalizacja miedzią – czyli kontrolowany wzór miedzi na tylnej stronie – utrzymuje podłoże płasko pomimo wszystkich wahań temperatury.

Projekt złącza lutowanego musi uwzględniać niedopasowanie współczynnika rozszerzalności cieplnej (CTE). Różnica współczynnika rozszerzalności cieplnej (CTE) między Si₃N₄ (~3 ppm/°C) a wyprowadzeniami komponentów lub płytką drukowaną systemu (~17 ppm/°C dla FR4) generuje naprężenia ścinające w złączach lutowanych podczas cykli termicznych. W przypadku niedopasowania współczynnika rozszerzalności cieplnej (CTE) należy stosować złącza elastyczne (wyprowadzenia giętkie, styki sprężynowe) lub stosować podkłady.

Strategia montażu jest kluczowa. Ceramika jest krucha — montaż śrubowy bez metalowych tulei i ograniczeń momentu obrotowego spowoduje pęknięcie podłoża. Klejenie lub zaciskanie za pomocą elastycznych padów eliminuje obciążenia punktowe. Nasz poradnik inżynieryjny dotyczący płytek PCB z podstawą ceramiczną obejmuje sposoby montażu i zapobieganie awariom.

Możliwości produkcyjne Highleap AMB

Najczęściej zadawane pytania

Czym jest płytka PCB ceramiczna AMB?

Ceramiczna płytka PCB AMB (Active Metal Brazing) to płytka drukowana, w której folia miedziana jest łączona z podłożem ceramicznym za pomocą aktywnego stopu lutowniczego – zazwyczaj Ag-Cu-Ti – w temperaturze 800–900°C w próżni. Tytan reaguje z powierzchnią ceramiki, tworząc wiązanie metalurgiczne. AMB zapewnia najmocniejsze połączenie miedzi z ceramiką spośród wszystkich technologii metalizacji, dlatego jest przeznaczona do zastosowań wymagających ekstremalnej wytrzymałości na cykle termiczne – głównie modułów mocy SiC i GaN w falownikach pojazdów elektrycznych.

Jaka jest różnica między AMB i DBC?

Metoda DBC wykorzystuje eutektykę tlenku miedzi w temperaturze ~1,065°C do łączenia miedzi z ceramiką — dobrze sprawdza się w przypadku tlenku glinu i AlN. Metoda AMB wykorzystuje aktywne lutowanie twarde w temperaturze 800–900°C, co tworzy wiązanie chemiczne z dowolnym rodzajem ceramiki, w tym Si₃N₄. Metoda AMB charakteryzuje się wyższą wytrzymałością na odrywanie, obsługuje grubszą miedź (do 800 µm) i zapewnia 5–10 razy dłuższą żywotność w cyklach termicznych niż metoda DBC na równoważnych podłożach. Metoda DBC pozostaje bardziej opłacalna w przypadku standardowych modułów IGBT o umiarkowanych wymaganiach dotyczących cykli termicznych. Szczegółowe specyfikacje technologii DBC można znaleźć w naszej ofercie dotyczącej możliwości zastosowania podłoży DBC.

Dlaczego Si₃N₄ jest preferowanym podłożem dla AMB?

Si₃N₄ ma 2–3 razy większą wytrzymałość na pękanie niż tlenek glinu i AlN (700–1,000 MPa w porównaniu z 300–400 MPa). W połączeniu z silnym wiązaniem AMB, podłoża Si₃N₄ AMB wytrzymują ponad 30 000 cykli termicznych w temperaturach od –55 do +250°C – co jest wymaganiem, którego inne podłoża ceramiczne nie są w stanie niezawodnie spełnić. Ta trwałość jest powodem, dla którego producenci OEM z branży motoryzacyjnej obecnie stosują Si₃N₄ AMB do falowników trakcyjnych SiC z ponad 15-letnią gwarancją.

W jakich branżach wykorzystuje się ceramiczne płytki PCB AMB?

Falowniki trakcyjne dla pojazdów elektrycznych (moduły MOSFET SiC), przemysłowe napędy silników, konwertery energii odnawialnej (słonecznej i wiatrowej), elektronika trakcyjna w kolejnictwie oraz niezawodne systemy zasilania w lotnictwie. Wymagane są wszystkie zastosowania, w których gęstość mocy przekracza 100 W/cm², cykle termiczne przekraczają 10 000 cykli lub grubość miedzi przekracza 300 µm.

Jakich plików potrzebuje Highleap do wyceny projektu AMB?

Pliki Gerber (warstwy miedzi, kontur, maska ​​lutownicza), rysunek wykonawczy określający materiał ceramiczny, grubość podłoża, grubość miedzi, wykończenie powierzchni, tolerancje wymiarowe oraz wymagania dotyczące cykli termicznych lub testów niezawodności, które musi spełnić moduł. W celu montażu modułu pod klucz, należy dołączyć zestawienie materiałów (BOM) i rysunek złożeniowy. Zapewniamy analizę DFM i zalecenia materiałowe w oparciu o Państwa specyfikacje dotyczące mocy i cykli.