Série de substrats céramiques - Performances et application du métal actif AMB
L'essor et le développement des semi-conducteurs de troisième génération, tels que le nitrure de gallium (GaN) etCarbure de silicium (SiC), ont poussé les dispositifs de puissance, en particulier les dispositifs à semi-conducteurs, vers une puissance, une miniaturisation, une intégration et une multifonctionnalité plus élevées. Ces progrès ont grandement contribué à l'amélioration des performances des substrats d'emballage. Les substrats en céramique, largement utilisés dans les emballages d'appareils électroniques, ont gagné en popularité en raison de leur conductivité thermique élevée, de leur résistance aux températures élevées, de leur faible coefficient de dilatation thermique, de leur résistance mécanique élevée, de leur résistance à la corrosion, de leur bonne isolation et de leur résistance aux radiations.
Il existe divers procédés de fabrication de substrats céramiques, notamment la méthode Direct Bond Copper (DBC), la méthode Direct Plated Copper (DPC), la méthode de métallisation activée par laser (LAM), la céramique co-cuite à basse température (LTCC), la céramique co-cuite à haute température (HTCC), et la méthode AMB actuellement émergente, qui est la technologie de brasage actif du métal (AMB).
JE.Qu'est-ce que la technologie Active Metal Brazing (AMB) ?
AVEC flux de processus
Le brasage actif du métal (AMB) est une avancée du processus DBC. Il s'agit d'ajouter une petite quantité d'éléments actifs (par exemple, Ti, Zr, V, Cr) à la pâte électronique de brasage, qui est ensuite imprimée sur le substrat céramique à l'aide de la technologie de sérigraphie. La pâte est recouverte de cuivre sans oxygène et frittée dans un four de brasage sous vide. Après cela, le circuit est créé par gravure et le motif de surface est plaqué chimiquement. La structure d'une plaque céramique cuivrée préparée à l'aide de la technologie AMB est représentée sur le schéma ci-dessous.
Schéma de structure d'une plaque de cuivre revêtue de céramique avec procédé AMB
II.Comparaison entre AMB et DBC
La technologie 1.DBC relie le cuivre et la céramique sans avoir besoin de matériaux supplémentaires, tandis que l'AMB utilise des métaux actifs pour braser le cuivre sur la céramique.
2.Comparé à DBC, AMB offre une meilleure conductivité thermique, une résistance à la chaleur, une plus grande résistance et une plus grande fiabilité.
3.DBC ne peut pas être utilisé pour lier le cuivre au nitrure de silicium (Si3N4) car aucun composé Cu-Si-O n'est formé. Par conséquent, le procédé AMB est nécessaire pour lier le nitrure de silicium au cuivre.
III.Classification des substrats céramiques AMB par matériau
Selon les différents matériaux céramiques, les substrats céramiques AMB actuellement matures peuvent être classés en trois types : l'alumine (Al2O3), le nitrure d'aluminium (AlN) et le nitrure de silicium (Si3N4).
3.1 AVEC substrats d'alumine
Les substrats AMB Alumina ont une large gamme de sources et le coût le plus bas, ce qui en fait les substrats céramiques AMB les plus rentables. Cependant, en raison de leur faible conductivité thermique et de leur capacité de dissipation thermique limitée, les substrats AMB Alumina sont principalement utilisés dans des applications à faible densité de puissance qui ne nécessitent pas une fiabilité stricte.
3.2 AVEC substrats en nitrure d'aluminium
Les substrats en nitrure d'aluminium AMB ont une capacité de dissipation thermique plus élevée, ce qui les rend plus adaptés aux environnements de fonctionnement à haute puissance et à courant élevé. Cependant, leur résistance mécanique est relativement faible, ce qui limite leur domaine d'application car la durée de vie en cyclage à haute et basse température des substrats revêtus de cuivre en nitrure d'aluminium AMB est limitée.
3.3 AVEC substrats en nitrure de silicium
Les céramiques en nitrure de silicium ont un faible coefficient de dilatation thermique (2,4 ppm/K), similaire aux matériaux des puces semi-conductrices (Si/SiC). Les substrats en nitrure de silicium AMB ont une conductivité thermique élevée (>90W/mK) et d'excellentes propriétés mécaniques, offrant une résistance exceptionnelle aux hautes températures, une dissipation thermique et une densité de puissance ultra-élevée.
Les substrats en nitrure de silicium AMB sont le choix préféré pour les applications qui nécessitent une fiabilité élevée, une dissipation thermique et une résistance aux décharges partielles, telles que l'automobile, les systèmes d'éoliennes, les systèmes de traction et les dispositifs de transmission à courant continu haute tension. De plus, ils ont une capacité de transport de courant élevée et d'excellentes propriétés de transfert de chaleur.
IV. Application des substrats céramiques AMB
Par rapport aux substrats céramiques DBC, les substrats céramiques AMB offrent une force de liaison plus élevée et de meilleures caractéristiques de cyclage thermique. Selon les tests de fiabilité, le test de cyclage thermique (plage de température : -65°C à 150°C, temps de maintien haute et basse température : 15 minutes chacun, avec pas plus de 2 minutes pour les commutations intermédiaires froid et chaud) montre que les temps de cyclage thermique sont : Si3N4 ≥ 5000 fois ; AlN ≥ 1500 fois ; Al2O3 ≥ 500 fois ; ZTA (Zirconia Toughened Alumina) ≥ 1000 fois.
AVEC supportsréaliser une liaison par une réaction chimique entre la céramique et la pâte à braser au métal actif à haute température. En conséquence, leur force de liaison et leur fiabilité sont supérieures, ce qui les rend adaptés aux boîtiers de modules semi-conducteurs haute puissance utilisés dans des domaines tels que le transport ferroviaire, les véhicules à énergie nouvelle et les réseaux intelligents.
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