Изготовление печатных плат из керамики AMB с толстым слоем меди.

В керамических печатных платах AMB используется активная металлическая пайка для прямого соединения толстого слоя меди с керамическими подложками, создавая самый прочный медно-керамический интерфейс, доступный сегодня в производстве. В процессе пайки используется сплав Ag-Cu-Ti при температуре 800–900 °C в вакууме; активный элемент титана смачивает керамическую поверхность и образует истинную металлургическую связь, которая выдерживает режимы термического циклирования, в то время как соединения DBC и DPC в конечном итоге разрушаются.

Именно благодаря такой прочности сцепления технология AMB стала доминирующей технологией металлизации. керамические подложки из нитрида кремния (Si₃N₄) — и почему комбинация Si₃N₄ + AMB теперь является стандартной подложкой для силовых модулей SiC и GaN следующего поколения в тяговых инверторах для электромобилей, промышленных приводах и системах возобновляемой энергии.

Компания Highleap Electronics производит керамические печатные платы AMB на подложках из Si₃N₄ и AlN с толщиной медного слоя от 0.15 мм до 0.8 мм, интегрированные с нашими компонентами. керамическая сборка печатной платы а также возможности тестирования силовых модулей.

Получите расчет стоимости керамической печатной платы AMB →

Как работает процесс AMB

Метод активной металлической пайки принципиально отличается от метода DBC. В методе DBC медь связывается с керамикой через эвтектику оксида меди, образующуюся при температуре около 1,065 °C — для надежной работы метода DBC керамика должна быть оксидом (оксидом алюминия) или иметь поверхность, образующую оксиды. Это ограничивает эффективность метода DBC на неоксидной керамике, такой как Si₃N₄.

Компания AMB решает эту проблему, вводя в припой активный металл — титан. При температуре пайки (800–900 °C) в вакууме или инертной атмосфере титан непосредственно реагирует с поверхностью керамики, образуя тонкий реакционный слой (обычно TiN на Si₃N₄ или TiO на Al₂O₃), который смачивается расплавленным Ag-Cu припоем. В результате образуется металлургическая связь между медью и керамикой, не зависящая от образования оксидов.

Последовательность изготовления AMB:

AMB против DBC: когда каждая из этих технологий является правильным выбором.

AMB не является универсальной заменой DBC — это усовершенствование для тех применений, где DBC достигает пределов надежности или толщины медного слоя. Выбор между ними зависит от конкретных проектных ограничений.

Используйте DBC, когда: В вашем силовом модуле используется подложка из оксида алюминия или нитрида алюминия (AlN), требуемый срок службы при термических циклах составляет менее ~5,000 циклов, а толщина медного слоя 600 мкм или менее является достаточной. AlN Субстраты DBC Остаются экономически выгодным выбором для IGBT-модулей в промышленных ИБП, сварочных аппаратах и ​​солнечных инверторах с умеренным циклическим режимом работы.

Используйте AMB, когда: В конструкции требуется подложка из Si₃N₄ (DBC не обеспечивает надежного соединения с Si₃N₄), ресурс термоциклирования превышает 10 000 циклов, перепад температур (ΔT) превышает 200 °C, или толщина медного слоя должна превышать 600 мкм для обеспечения возможности пропускания тока. Эти условия применимы к большинству автомобильных тяговых инверторов на основе SiC/GaN и приводов промышленного назначения следующего поколения.

Выбор подложки для керамических печатных плат с AMB

Si₃N₄ — основной материал для подложек AMB в автомобильной промышленности и производстве электромобилей.

Прочность на излом нитрида кремния (700–1,000 МПа) поглощает термомеханическое напряжение, возникающее из-за расширения толстого слоя меди во время термических циклов. Комбинация Si₃N₄ + AMB стабильно соответствует требованиям AEC-Q100/Q200 к термическим циклам для автомобильной промышленности — обычно от –55 до +175 °C при более чем 3,000 циклах питания и от –55 до +250 °C при более чем 1,000 циклах термического удара. Этот уровень надежности теперь является базовым требованием для поставщиков первого уровня для электромобилей, которые указывают в своих спецификациях модули SiC MOSFET.

AlN — AMB для обеспечения высочайшей теплопроводности

Когда теплопроводность (170–200 Вт/м·К) важнее, чем износостойкость при циклической работе, алюминиевый нитрид алюминия (AlN AMB) предлагает наилучший способ отвода тепла. AlN AMB используется в мощных радиочастотных усилителях, некоторых промышленных модулях IGBT и в тех областях применения, где отвод тепла является определяющим фактором при проектировании. Однако более низкая трещиностойкость AlN (300–350 МПа) означает, что он достигает пределов циклической работы раньше, чем Si₃N₄ при эквивалентном напряжении — компромисс между тепловыми характеристиками и механической износостойкостью.

Области применения, определяющие спрос на AMB

Вопросы проектирования подложек для АМП

Для проектирования керамических печатных плат AMB требуется особое внимание, отличающееся от подхода к проектированию печатных плат DBC и органических плат:

Геометрия медного рисунка влияет на надежность. Крупные изолированные медные островки с резкими краями создают концентрацию напряжений во время термических циклов. Избегайте соотношения сторон медных контактных площадок, превышающего 5:1. Радиусы углов на медных контактных площадках должны быть ≥0.5 мм для снижения концентрации напряжений. Рекомендации по проектированию керамических печатных плат Подробно опишите эти правила, указав конкретные пороговые значения размеров.

Сбалансированное содержание меди с обеих сторон уменьшает деформацию. Неравномерная толщина медного покрытия на верхней и нижней поверхностях создает асимметричные силы теплового расширения во время пайки и в процессе эксплуатации, что приводит к деформации подложки. Сбалансированная медная металлизация — или контролируемый рисунок медного покрытия на обратной стороне — обеспечивает ровность подложки при любых температурных колебаниях.

При проектировании паяного соединения необходимо учитывать несоответствие коэффициентов теплового расширения. Разница в коэффициентах теплового расширения (КТР) между Si₃N₄ (~3 ppm/°C) и выводами компонентов или печатной платой системы (~17 ppm/°C для FR4) создает сдвиговое напряжение в паяных соединениях во время термических циклов. Используйте гибкие межсоединения (гибкие выводы, пружинные контакты) или компаунд для заполнения зазоров, если несоответствие КТР неизбежно.

Стратегия монтажа имеет решающее значение. Керамика хрупкая — крепление винтами без металлических втулок и ограничений по крутящему моменту приведет к растрескиванию основания. Клеевое соединение или зажим с помощью эластичных прокладок исключают точечные нагрузки. Руководство по проектированию печатных плат на керамической основе Рассматриваются причины и способы предотвращения отказов оборудования.

Производственные возможности Highleap AMB

Часто задаваемые вопросы

Что такое керамическая печатная плата AMB?

Керамическая печатная плата с активной металлической пайкой (AMB) — это плата, на которой медная фольга припаивается к керамической подложке с помощью активного припоя — обычно Ag-Cu-Ti — при температуре 800–900 °C в вакууме. Титан реагирует с керамической поверхностью, образуя металлургическую связь. Технология AMB обеспечивает наиболее прочный интерфейс медь-керамика среди всех технологий металлизации, поэтому она используется в приложениях, требующих экстремальной устойчивости к термическим циклам — в первую очередь, в силовых модулях SiC и GaN в инверторах электромобилей.

В чём разница между AMB и DBC?

В технологии DBC для соединения меди с керамикой используется эвтектика оксида меди при температуре около 1,065 °C — она хорошо работает на оксиде алюминия и нитриде алюминия (AlN). В технологии AMB используется активная металлическая пайка при температуре 800–900 °C, которая образует химическую связь с любым типом керамики, включая Si₃N₄. Технология AMB обеспечивает более высокую прочность на отслаивание, позволяет использовать более толстый слой меди (до 800 мкм) и обеспечивает в 5–10 раз больший срок службы при термических циклах, чем DBC на аналогичных подложках. Технология DBC остается более экономически выгодной для стандартных модулей IGBT с умеренными требованиями к циклической нагрузке. Подробные технические характеристики DBC см. в нашем разделе «Технические характеристики DBC». Возможности подложки DBC.

Почему Si₃N₄ является предпочтительной подложкой для AMB?

Si₃N₄ обладает в 2–3 раза большей трещиностойкостью, чем оксид алюминия и AlN (700–1,000 МПа против 300–400 МПа). В сочетании с прочным сцеплением AMB, подложки из Si₃N₄ AMB выдерживают более 30 000 термических циклов при температурах от –55 до +250 °C — требование, которому другие керамические подложки не могут надежно соответствовать. Именно эта долговечность является причиной того, почему производители автомобилей теперь используют Si₃N₄ AMB в тяговых инверторах на основе SiC с гарантийным сроком более 15 лет.

В каких отраслях промышленности используются керамические печатные платы AMB?

Инверторы для тяговых электромобилей (модули SiC MOSFET), промышленные электроприводы, преобразователи возобновляемой энергии (солнечная, ветровая), электроника для железнодорожной тяги и высоконадежные энергетические системы для аэрокосмической отрасли. Любое применение, где требуется плотность мощности более 100 Вт/см², термические циклы более 10 000 циклов или толщина медного слоя более 300 мкм.

Какие файлы необходимы Highleap для составления сметы по проекту AMB?

Файлы Gerber (медные слои, контур, паяльная маска), чертеж изготовления с указанием керамического материала, толщины подложки, толщины меди, качества поверхности, допусков по размерам, а также требований к термоциклированию или испытаниям на надежность, которым должен соответствовать ваш модуль. Для сборки модуля «под ключ» добавьте спецификацию материалов и сборочный чертеж. Мы проводим анализ DFM (проектирование для технологичности производства) и предоставляем рекомендации по материалам на основе ваших требований к мощности и циклической нагрузке.