Керамічні матеріали для підкладки DBC та посібник з їх вибору

Вибір відповідного керамічного матеріалу для підкладок DBC впливає на тепловіддачу, електричну ізоляцію та довгострокову надійність. На цій сторінці порівнюються оксид алюмінію Al2O3, нітрид алюмінію AlN та нітрид кремнію Si3N4, використовуючи практичні інженерні дані для підтримки вибору матеріалу для силової електроніки та конструкцій керамічних друкованих плат.
Порівняння ceramic PCB material and process options helps separate the substrate choice from the metallization method before a production drawing is released.

---

Керамічні підкладки DBC використовують різні базові матеріали для балансування теплопровідності, механічної міцності та вартості. Глинозем пропонує економічні характеристики для загального застосування, нітрид алюмінію забезпечує високу теплопровідність для теплоємких конструкцій, а нітрид кремнію покращує механічну довговічність при термоциклуванні. Розуміння цих відмінностей допомагає інженерам вибрати найбільш підходящий варіант на основі системних вимог та сумісності з подальшими процесами виготовлення керамічних друкованих плат та ширшими робочими процесами виробництва та складання друкованих плат.

Для проектів, що потребують підтримки прототипів або серійного виробництва, ви можете запросити цінову пропозицію безпосередньо нижче.

запитати пропозицію

---

Що таке керамічна підкладка DBC?

Керамічна підкладка DBC поєднує в собі керамічну ізоляційну серцевину з безпосередньо з'єднаними мідними провідниками. Керамічний шар забезпечує електричну ізоляцію, механічну підтримку та теплопровідність між силовими пристроями та системою охолодження. Розуміння варіантів керамічних матеріалів є важливим для оптимізації продуктивності підкладки DBC у будь-якому застосуванні.

Фізичні властивості керамічного матеріалу фундаментально визначають можливості підкладки:

• Теплопровідність: Визначає ефективність передачі тепла від силових пристроїв до радіатора
• Коефіцієнт теплового розширення (КТР): Впливає на надійність при термоциклуванні, якщо його не поєднувати з іншими матеріалами
• Механічна міцність: Визначає стійкість до розтріскування під впливом термічних та механічних навантажень
• Діелектрична міцність: Визначає максимальну робочу напругу

Параметри процесу DBC залежать від керамічного матеріалу, причому кожен з них вимагає певної температури склеювання та атмосфери для досягнення оптимальних результатів.

---

2) Поширені керамічні матеріали, що використовуються в DBC

Виробництво підкладок DBC переважає у трьох керамічних матеріалах, кожен з яких пропонує різні експлуатаційні характеристики:

2.1 Глинозем (Al₂O₃)

Алюмооксидна кераміка слугувала основним матеріалом для підкладок DBC з моменту появи цієї технології. Доступний у ступенях чистоти від 92% до 99.6%, глинозем пропонує розвинений ланцюг поставок, передбачувану обробку та конкурентні ціни. Ступінь чистоти 96% є найпоширенішим вибором для стандартних застосувань силової електроніки.

Основні властивості 96% глинозему:

• Теплопровідність: 24-28 Вт/м·K
• КТР: 7.1 ppm/°C
• Міцність на вигин: 350-400 МПа
• Електрична міцність діелектрика: 15-20 кВ/мм

2.2 Нітрид алюмінію (AlN)

Нітрид алюмінію має теплопровідність, яка в 7-10 разів вища, ніж оксид алюмінію, що робить його кращим вибором для термічно вимогливих застосувань. Високоякісна кераміка AlN досягає теплопровідності 170-230 Вт/м·K залежно від чистоти та обробки. Ці виняткові теплові характеристики виправдовують вищу вартість матеріалу в тих випадках, коли тепловіддача обмежує щільність потужності.

Ключові властивості AlN:

• Теплопровідність: 170-230 Вт/м·K
• КТР: 4.5 ppm/°C (чудова відповідність кремнію з 2.6 ppm/°C)
• Міцність на вигин: 300-350 МПа
• Електрична міцність діелектрика: 15-17 кВ/мм

2.3 Нітрид кремнію (Si₃N₄)

Нітрид кремнію пропонує найвищу механічну міцність та в'язкість до руйнування серед поширених керамічних матеріалів для обробки нітриду кремнію (DBC). Хоча його теплопровідність знаходиться між оксидом алюмінію та AlN, його виняткова стійкість до теплових ударів та механічних навантажень робить його дедалі популярнішим для вимогливих автомобільних та залізничних застосувань, де довготривала надійність у суворих умовах є надзвичайно важливою.

Основні властивості Si₃N₄:

• Теплопровідність: 70-90 Вт/м·K
• КТР: 2.6 ppm/°C (майже відповідає кремнію)
• Міцність на вигин: 700-900 МПа
• В'язкість руйнування: 6-7 МПа·м^½

3) AlN проти Al₂O₃ проти Si₃N₄ DBC-субстратів

Вибір між керамічними матеріалами вимагає збалансування кількох факторів продуктивності з урахуванням вартості та доступності. Наведене нижче порівняння висвітлює ключові відмінності, що стосуються вибору підкладки.

3.1 Рейтинг теплових характеристик

AlN > Si₃N₄ > Al₂O₃

Підкладки з AlN зменшують термічний опір між переходом і корпусом на 60-70% порівняно з оксидом алюмінію в ідентичних геометріях. Ця теплова перевага безпосередньо призводить до вищої потужності або нижчих робочих температур.

3.2 Рейтинг механічної надійності

Si₃N₄ > Al₂O₃ > AlN

Чудова міцність нітриду кремнію на розрив робить його набагато стійкішим до розтріскування від термічного удару або механічного навантаження. Підкладки Si₃N₄ DBC зазвичай витримують понад 5,000 термічних циклів, тоді як підкладки AlN ідентичної конструкції можуть вийти з ладу після 3,000 циклів.

3.3 Рейтинг вартості (від низької до високої)

Al₂O₃ < AlN < Si₃N₄

Підкладки з оксиду алюмінію DBC зазвичай коштують на 30-50% менше, ніж еквіваленти з AlN, тоді як Si₃N₄ вимагає преміальних цін через складніші вимоги до обробки кераміки. Обсяг та складність специфікації суттєво впливають на фактичне ціноутворення.

3.4 Збіг CTE з кремнієм

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

Близьке узгодження КТР між підкладкою та напівпровідниковим кристалом зменшує термічне навантаження на паяні з'єднання та інтерфейси кріплення кристала, підвищуючи надійність при термоциклуванні.

---

4) Порівняння теплових та електричних характеристик

Розуміння кількісних відмінностей у продуктивності допомагає інженерам приймати рішення щодо вибору матеріалів на основі вимог застосування. Ознайомтеся з ширшим спектром технологій керамічних схем на нашій сторінці огляду керамічних друкованих плат .

4.1 Порівняння теплового опору

Для керамічної підкладки товщиною 1 мм та розміром 10 мм × 10 мм:

• Al₂O₃: термічний опір ~0.42°C/Вт
• AlN: термічний опір ~0.05°C/Вт
• Si₃N₄: термічний опір ~0.13°C/Вт

Ці відмінності посилюються під час проектування для певних температур переходу, безпосередньо впливаючи на досяжну щільність потужності.

4.2 Діелектричні характеристики

Усі три керамічні матеріали забезпечують чудову електричну ізоляцію для силової електроніки. Ключові міркування:

• Напруга початку часткового розряду: AlN зазвичай демонструє нижчу напругу початку часткового розряду, ніж оксид алюмінію при еквівалентній товщині, що вимагає врахування у високовольтних конструкціях.
• Питомий об'ємний опір: Усі три матеріали підтримують питомий опір >10^14 Ом·см за кімнатної температури, значно знижуючись за підвищених температур.
• Тангенс кута втрат: Критично важливий для радіочастотних застосувань; AlN пропонує найнижчі діелектричні втрати серед цих керамічних матеріалів.

5) Вибір матеріалу на основі застосування

Оптимальний вибір кераміки значною мірою залежить від вимог застосування. Наведені нижче рекомендації допоможуть підібрати матеріали для поширених випадків використання.

5.1 Виберіть глинозем (Al₂O₃), коли:

• Оптимізація витрат є першочерговим завданням
• Теплові вимоги помірні (щільність потужності <50 Вт/см²)
• Робочі температури залишаються нижче 150°C
• Конструкція може вмістити більшу площу основи для розподілу тепла
• Стандартні промислові електроприводи, системи ДБЖ та загальні джерела живлення

5.2 Виберіть нітрид алюмінію (AlN), коли:

• Потрібна максимальна теплова продуктивність
• Щільність потужності перевищує 100 Вт/см²
• Обмеження розміру запобігають поширенню тепла завдяки глинозему
• Пристрої з широкою забороненою зоною SiC або GaN потребують посиленого охолодження
• Тягові інвертори для електромобілів, силова електроніка для аерокосмічної галузі та високочастотні радіочастотні підсилювачі

5.3 Виберіть нітрид кремнію (Si₃N₄), коли:

• Потрібна надзвичайна надійність у термоциклуванні (>5,000 циклів)
• Застосування пов'язане з серйозними тепловими перехідними процесами
• Механічні удари та вібрація є серйозними проблемами
• Тривалі гарантійні терміни вимагають виняткової надійності
• Автомобільні тягові системи, залізничні інвертори та високонадійне промислове обладнання

---

6) Вибір правильної керамічної підкладки DBC

Вибір матеріалу вимагає оцінки технічних вимог з урахуванням практичних обмежень. Співпраця з досвідченим виробником підкладок DBC забезпечує доступ до досвіду застосування та рекомендацій щодо матеріалів.

6.1 Ключові питання, на які слід звернути увагу під час вибору матеріалу

• Яка максимально допустима температура спаю? Це визначає необхідну теплоізоляцію.
• Який профіль термоциклування зазнає підкладка? Інтенсивні циклічні навантажень можуть вимагати Si₃N₄ незалежно від теплових вимог.
• Яка робоча напруга потрібна? Це визначає мінімальну товщину кераміки.
• Яка цільова вартість одиниці продукції? Об'ємне виробництво може виправдати використання високопродуктивних матеріалів завдяки підвищенню врожайності.
• Які обмеження щодо розміру? Обмежена займана площа може вимагати AlN для досягнення цільових теплових характеристик.

Highleap Electronics надає технічні консультації щодо вибору керамічних матеріалів, допомагаючи інженерам знайти баланс між продуктивністю, надійністю та вартістю. Наші можливості охоплюють виготовлення друкованих плат, включаючи передове виробництво підкладок DBC, підтримуючи проекти від концепції до серійного виробництва.

Для уточнення термінології та розуміння основ відвідайте нашу сторінку з визначеннями мідної підкладки прямого з'єднання.

Запит на консультацію щодо матеріалів