Руководство по выбору и подбору керамических подложек DBC

Выбор подходящего керамического материала для подложек DBC влияет на рассеивание тепла, электрическую изоляцию и долговременную надежность. На этой странице сравниваются оксид алюминия Al2O3, нитрид алюминия AlN и нитрид кремния Si3N4 с использованием практических инженерных данных для обоснования выбора материала для силовой электроники и керамических печатных плат.

---

В керамических подложках DBC используются различные базовые материалы для достижения баланса между теплопроводностью, механической прочностью и стоимостью. Оксид алюминия обеспечивает экономичность для общего применения, нитрид алюминия — высокую теплопроводность для конструкций с интенсивным нагревом, а нитрид кремния — повышает механическую прочность при термических циклах. Понимание этих различий помогает инженерам выбрать наиболее подходящий вариант, исходя из требований системы и совместимости с последующими компонентами. процессы изготовления керамических печатных плат и шире Технологические процессы производства и сборки печатных плат.

Для проектов, требующих поддержки в создании прототипов или серийном производстве, вы можете запросить коммерческое предложение непосредственно ниже.

Запросить расчет

---

Что такое керамическая подложка DBC?

Керамическая подложка DBC сочетает в себе керамический изоляционный сердечник с непосредственно соединенными медными проводниками. Керамический слой обеспечивает электрическую изоляцию, механическую поддержку и теплопроводность между силовыми устройствами и системой охлаждения. Понимание вариантов керамических материалов имеет важное значение для оптимизации субстрат DBC производительность в любом приложении.

Физические свойства керамического материала в корне определяют возможности подложки:

• Теплопроводность: Регулирует эффективность передачи тепла от силовых устройств к радиатору.
• Коэффициент термического расширения (КТР): Влияет на надежность при термических циклах при несоответствии с другими материалами.
• Механическая сила: Определяет сопротивление растрескиванию под воздействием термических и механических нагрузок.
• Диэлектрическая прочность: Определяет максимальное рабочее напряжение.

Процесс DBC Параметры зависят от керамического материала, и для достижения оптимальных результатов для каждого из них требуются определенные температуры и атмосфера склеивания.

---

2) Распространенные керамические материалы, используемые в DBC

В производстве подложек для DBC-печати доминируют три керамических материала, каждый из которых обладает distinctными эксплуатационными характеристиками:

2.1 Глинозем (Al₂O₃)

Алюмокерамика с момента появления технологии DBC является основным материалом для подложек DBC. Доступная в степенях чистоты от 92% до 99.6%, оксид алюминия предлагает отлаженную цепочку поставок, предсказуемый процесс обработки и конкурентоспособные цены. Степень чистоты 96% является наиболее распространенным выбором для стандартных применений в силовой электронике.

Основные свойства 96%-ного оксида алюминия:

• Теплопроводность: 24-28 Вт/м·К
• Коэффициент теплового расширения: 7.1 ppm/°C
• Прочность на изгиб: 350-400 МПа.
• Электрическая прочность: 15-20 кВ/мм

2.2 Нитрид алюминия (AlN)

Нитрид алюминия обеспечивает теплопроводность в 7-10 раз выше, чем у оксида алюминия, что делает его предпочтительным выбором для применений с высокими требованиями к теплоотводу. Высококачественная керамика AlN достигает теплопроводности 170-230 Вт/м·К в зависимости от чистоты и технологии обработки. Эти исключительные тепловые характеристики оправдывают более высокую стоимость материала в тех областях применения, где рассеивание тепла ограничивает плотность мощности.

Основные свойства AlN:

• Теплопроводность: 170-230 Вт/м·К
• Коэффициент теплового расширения: 4.5 ppm/°C (отличное соответствие показателю для кремния — 2.6 ppm/°C)
• Прочность на изгиб: 300-350 МПа.
• Электрическая прочность: 15-17 кВ/мм

2.3 Нитрид кремния (Si₃N₄)

Нитрид кремния обладает самой высокой механической прочностью и трещиностойкостью среди распространенных керамических материалов DBC. Хотя его теплопроводность находится между теплопроводностью оксида алюминия и AlN, исключительная устойчивость к термическим ударам и механическим напряжениям делает его все более популярным для сложных применений в автомобильной и железнодорожной отраслях, где первостепенное значение имеет долговременная надежность в суровых условиях.

Основные свойства Si₃N₄:

• Теплопроводность: 70-90 Вт/м·К
• Коэффициент теплового расширения: 2.6 ppm/°C (очень близок к значению для кремния).
• Прочность на изгиб: 700-900 МПа.
• Вязкость разрушения: 6-7 МПа·м^½

3) Подложки DBC AlN против Al₂O₃ против Si₃N₄

Выбор керамических материалов требует учета множества эксплуатационных характеристик, а также стоимости и доступности. Приведенное ниже сравнение выделяет ключевые различия, имеющие значение при выборе подложки.

3.1 Рейтинг тепловых характеристик

AlN > Si₃N₄ > Al₂O₃

Подложки из нитрида алюминия (AlN) снижают тепловое сопротивление между переходом и корпусом на 60-70% по сравнению с подложками из оксида алюминия при идентичных геометрических параметрах. Это тепловое преимущество напрямую приводит к увеличению допустимой мощности или снижению рабочих температур.

3.2 Рейтинг механической надежности

Si₃N₄ > Al₂O₃ > AlN

Превосходная трещиностойкость нитрида кремния делает его гораздо более устойчивым к растрескиванию от термического удара или механического напряжения. Подложки Si₃N₄ DBC обычно выдерживают более 5,000 термических циклов, в то время как подложки AlN аналогичной конструкции могут выйти из строя после 3,000 циклов.

3.3 Рейтинг стоимости (от низкой к высокой)

Al₂O₃ < AlN < Si₃N₄

Подложки из оксида алюминия (Alumina DBC) обычно стоят на 30-50% дешевле, чем аналогичные подложки из нитрида алюминия (AlN), в то время как подложки из нитрида кремния (Si₃N₄) имеют более высокую цену из-за более сложных требований к обработке керамики. Объемы производства и сложность технических характеристик существенно влияют на фактическую стоимость.

3.4 CTE Соответствие кремнию

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

Точное соответствие коэффициентов теплового расширения между подложкой и полупроводниковым кристаллом снижает термическое напряжение в паяных соединениях и местах крепления кристалла, повышая надежность при термических циклах.

---

4) Сравнение тепловых и электрических характеристик

Понимание количественных различий в характеристиках помогает инженерам принимать решения по выбору материалов в зависимости от требований к применению. Узнайте больше о технологиях керамических схем на нашем сайте. керамическая печатная плата обзорная страница.

4.1 Сравнение термического сопротивления

Для керамической подложки толщиной 1 мм и размером 10 мм × 10 мм:

• Al₂O₃: ~0.42 °C/Вт тепловое сопротивление
• AlN: тепловое сопротивление ~0.05 °C/Вт
• Si₃N₄: ~0.13 °C/Вт тепловое сопротивление

Эти различия усиливаются при проектировании для конкретных температур перехода, что напрямую влияет на достижимую плотность мощности.

4.2 Диэлектрические характеристики

Все три керамических материала обеспечивают превосходную электрическую изоляцию для применения в силовой электронике. Ключевые моменты:

• Напряжение начала частичного разряда: Как правило, нитрид алюминия демонстрирует более низкое напряжение начала частичного разряда по сравнению с оксидом алюминия при эквивалентной толщине, что необходимо учитывать при проектировании высоковольтных устройств.
• Объемное сопротивление: Все три материала сохраняют удельное сопротивление >10^14 Ом·см при комнатной температуре, значительно снижаясь при повышении температуры.
• Тангенс угла потерь: Для радиочастотных приложений крайне важно, что нитрид алюминия (AlN) обладает самыми низкими диэлектрическими потерями среди этих керамических материалов.

5) Выбор материалов, ориентированный на конкретное применение

Оптимальный выбор керамики во многом зависит от требований к применению. Следующие рекомендации помогут подобрать материалы для распространенных сценариев использования.

5.1 Выбирайте оксид алюминия (Al₂O₃) в следующих случаях:

• Оптимизация затрат является первостепенной задачей.
• Требования к тепловым характеристикам умеренные (плотность мощности <50 Вт/см²)
• Рабочие температуры остаются ниже 150°C
• Конструкция позволяет использовать большую площадь подложки для рассеивания тепла.
• Стандартные промышленные электроприводы, системы бесперебойного питания и источники питания общего назначения.

5.2 Выбирайте нитрид алюминия (AlN) в следующих случаях:

• Требуется максимальная тепловая эффективность.
• Плотность мощности превышает 100 Вт/см²
• Ограничения по размерам препятствуют распространению тепла при использовании оксида алюминия.
• Для широкозонных устройств на основе SiC или GaN требуется улучшенное охлаждение.
• Инверторы для тяговых электромобилей, силовая электроника для аэрокосмической отрасли и высокочастотные радиочастотные усилители.

5.3 Выбирайте нитрид кремния (Si₃N₄) в следующих случаях:

• Требуется исключительная надежность при экстремальных температурных циклах (>5,000 циклов).
• Применение связано с резкими тепловыми переходными процессами.
• Механические удары и вибрация представляют собой серьезную проблему.
• Длительные гарантийные сроки требуют исключительной надежности.
• Автомобильные тяговые системы, железнодорожные инверторы и высоконадежное промышленное оборудование.

---

6) Выбор подходящей керамической подложки DBC

Выбор материалов требует оценки технических требований с учетом практических ограничений. Работа с опытным специалистом. Производитель подложек DBC предоставляет доступ к экспертным знаниям в области применения и рекомендациям по материалам.

6.1 Ключевые вопросы, которые необходимо рассмотреть при выборе материалов

• Какова максимально допустимая температура перехода? Это определяет требуемые тепловые характеристики.
• Какой профиль температурных циклов будет у подложки? Интенсивные циклы работы могут потребовать использования Si₃N₄ независимо от требований к тепловым характеристикам.
• Какое рабочее напряжение требуется? Это определяет минимальную толщину керамики.
• Какова целевая себестоимость единицы продукции? В массовом производстве использование более высокоэффективных материалов может быть оправдано за счет повышения выхода годной продукции.
• Каковы ограничения по размеру? Для достижения целевых тепловых характеристик при ограниченных габаритах может потребоваться использование нитрида алюминия (AlN).

Компания Highleap Electronics предоставляет технические консультации по выбору керамических материалов, помогая инженерам найти баланс между производительностью, надежностью и стоимостью. Наши возможности охватывают широкий спектр областей. Изготовление печатных плат Благодаря передовым технологиям производства подложек DBC, мы поддерживаем проекты от стадии концепции до серийного производства.

Для разъяснения терминологии и получения базовых знаний посетите наш сайт. медная подложка с прямым соединением страница с определениями.

Запросить консультацию по материалам