Les principaux avantages, propriétés et technologies de fabrication des substrats céramiques
Les substrats céramiques jouent un rôle essentiel dans le domaine de l'électronique grâce à leurs avantages considérables, tels qu'une conductivité thermique élevée et d'excellentes propriétés d'isolation. Cependant, quels sont les principaux avantages des substrats céramiques par rapport aux plaquettes céramiques ?
1. Différence entre les substrats céramiques et les plaquettes céramiques
Les plaquettes de céramique servent de matériaux plats fournissant une base de support pour les éléments de circuits en film et les composants montés en surface sur une base en céramique électronique.
En revanche, les substrats céramiques nécessitent un procédé spécifique où une feuille de cuivre est directement collée à la surface d'une plaquette de céramique (simple ou double face) à haute température. Le substrat composite ultra-mince ainsi obtenu présente une excellente isolation électrique, une conductivité thermique élevée, une soudabilité remarquable, une forte adhérence et peut être gravé avec divers motifs similaires à ceux des circuits imprimés, ce qui lui confère une capacité de transport de courant importante.Par conséquent, les substrats céramiques sont devenus des matériaux fondamentaux pour les technologies de structure et d'interconnexion des circuits électroniques de haute puissance.
2. Principaux avantages des substrats céramiques
Les substrats céramiques présentent une excellente résistance aux contraintes mécaniques et une grande stabilité dimensionnelle, une résistance mécanique élevée, une conductivité thermique et une isolation performantes, ainsi qu'une forte adhérence et une excellente résistance à la corrosion. Ils offrent d'excellentes performances en cyclage thermique et une grande fiabilité, permettant la gravure de motifs variés similaires à ceux des circuits imprimés (ou des substrats IMS). Les substrats céramiques sont non polluants et respectueux de l'environnement.
3. Propriétés des substrats céramiques
(1) Propriétés mécaniques
Sa résistance mécanique suffisamment élevée permet son utilisation comme composant de support en plus des éléments de montage, avec une bonne usinabilité et une grande précision dimensionnelle.
(2)Propriétés électriques
Une résistance d'isolement et une tension de claquage élevées, une faible constante diélectrique et des pertes diélectriques minimales garantissent des performances stables dans des conditions de température et d'humidité élevées, assurant ainsi la fiabilité.
(3) Propriétés thermiques
Conductivité thermique élevée, coefficients de dilatation thermique compatibles avec les matériaux apparentés (notamment avec le silicium) et excellente résistance à la chaleur.
(4)Autres propriétés
Excellente stabilité chimique, métallisation facile avec une forte adhérence pour les motifs de circuits, non hygroscopique, résistant à l'huile, résistant aux produits chimiques, faible émission de rayons X, non toxique et la structure cristalline reste inchangée dans la plage de températures de fonctionnement.
4. Techniques de fabrication de substrats céramiques (HTCC, LTCC, DPC, DBC, AMB)
Les substrats céramiques sont principalement classés en substrats plats et substrats tridimensionnels selon leur procédé de fabrication. Parmi les principales technologies de substrats plats, on trouve la céramique en couches minces (TFC), la céramique imprimée en couches épaisses (TPC), le cuivre collé directement (DBC), le brasage actif (AMB) et le cuivre plaqué directement (DPC). Les principaux substrats tridimensionnels comprennent la céramique co-frittée à haute température (HTCC) et la céramique co-frittée à basse température (LTCC).
(1)HTCC (Céramique co-frittée à haute température)
Développée antérieurement, la technique HTCC consiste à co-cuire de la céramique avec des motifs métalliques à point de fusion élevé, tels que le tungstène (W) ou le molybdène (Mo), afin d'obtenir des substrats céramiques multicouches. Cependant, sa température de frittage élevée limite le choix des matériaux d'électrode et son coût de production est relativement important, ce qui a motivé le développement de la technique LTCC.
(2)LTCC (Céramique co-frittée à basse température)
La technologie LTCC abaisse la température de co-cuisson à environ 850 °C, permettant l'empilement et la co-cuisson de plusieurs couches de films céramiques avec des motifs métalliques pour réaliser un câblage de circuit tridimensionnel. LTCC excelle dans l'intégration passive et trouve de nombreuses applications sur divers marchés tels que l'électronique grand public, les communications, l'automobile et la défense.
(3)DPC (Placage direct du cuivre)
Développée à partir de la technologie des films céramiques, la DPC dépose du cuivre sur des substrats céramiques à l'aide de la technologie de pulvérisation cathodique et forme des circuits par des procédés d'électroplacage et de photolithographie.
(4)DBC (cuivre à liaison directe)
Le procédé DBC utilise le soudage par fusion thermique pour lier directement une feuille de cuivre à des surfaces céramiques d'Al₂O₃ et d'AlN, formant ainsi des substrats composites. Son principal obstacle technologique réside dans la gestion des microvides entre l'Al₂O₃ et la feuille de cuivre, ce qui représente un défi majeur pour la production en série et le rendement.
(5)AMB (Brasage actif des métaux)
Basée sur la technologie DBC, AMB réalise une liaison hétérogène entre la céramique et le métal à l'aide d'une pâte à braser AgCu contenant des éléments actifs Ti, Zr, facilitant le mouillage et la réaction à l'interface céramique-métal à environ 800 °C.
Parmi les cinq principaux procédés mentionnés, HTCC et LTCC appartiennent à la catégorie des procédés de frittage, généralement plus coûteux. À l'inverse, DBC et DPC sont des procédés relativement récents et éprouvés, orientés vers la production de masse. Le procédé DBC utilise un chauffage à haute température pour lier l'Al₂O₃ à des substrats de cuivre. Cependant, un défi technique majeur du procédé DBC réside dans la gestion des microvides à l'interface Al₂O₃/Cu, qui affectent l'extensibilité et le rendement du produit. La technologie DPC, quant à elle, utilise le dépôt direct de cuivre sur des substrats d'Al₂O₃, intégrant les matériaux et les techniques de traitement des couches minces. Les produits à base de DPC sont devenus les substrats de dissipation thermique céramiques les plus utilisés ces dernières années. Néanmoins, les exigences élevées en matière de contrôle des matériaux et d'intégration des procédés constituent des barrières à l'entrée importantes pour l'industrie DPC et la mise en place d'une production stable.
Comparativement aux produits traditionnels, les substrats céramiques AMB offrent une adhérence et une fiabilité supérieures grâce aux réactions chimiques entre la céramique et la pâte à braser métallique active à haute température. Ils sont ainsi particulièrement adaptés aux applications exigeant des connexions hautes performances ou une capacité de transport de courant et de dissipation thermique élevées, notamment dans des secteurs tels que les véhicules à énergies nouvelles, le transport ferroviaire, l'éolien, le photovoltaïque et la 5G, où la demande en stratifiés céramiques cuivrés AMB est importante.
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