Les principaux avantages, propriétés et technologies de traitement des substrats céramiques
Les substrats céramiques jouent un rôle essentiel dans le domaine de l'électronique en raison de leurs avantages significatifs tels qu'une conductivité thermique élevée, d'excellentes propriétés d'isolation et une conductivité thermique. Cependant, quels sont les principaux avantages des substrats céramiques par rapport aux plaquettes céramiques ?
1. Différence entre les substrats en céramique et les plaquettes en céramique
Les plaquettes en céramique servent de matériaux plats fournissant une base de support pour les éléments de circuit à film et les composants montés en surface sur une base électronique en céramique.
D'autre part, les substrats céramiques impliquent un processus spécialisé dans lequel une feuille de cuivre est directement liée à la surface d'une plaquette en céramique (simple ou double face) à haute température. Le substrat composite ultra-fin obtenu présente une excellente isolation électrique, une conductivité thermique élevée, une soudabilité exceptionnelle, une force d'adhérence élevée et peut être gravé avec divers motifs similaires aux PCB, possédant ainsi 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 en céramique présentent une forte résistance aux contraintes mécaniques et une stabilité de forme, une résistance élevée, une conductivité thermique et une isolation élevées, ainsi qu'une forte résistance à la liaison et à la corrosion. Ils offrent d'excellentes performances de cyclage thermique et une grande fiabilité, permettant la gravure de divers motifs similaires aux PCB (ou substrats IMS). Les substrats céramiques sont non polluants et respectueux de l’environnement.
3. Propriétés des substrats céramiques
（1）Propriétés mécaniques
Une résistance mécanique suffisamment élevée permet une utilisation comme composants de support en plus des éléments de montage, avec une bonne usinabilité et une précision dimensionnelle élevée.
(2)Propriétés électriques
Une résistance d'isolation et une tension de claquage élevées, une faible constante diélectrique et une perte diélectrique minimale garantissent des performances stables dans des conditions de température et d'humidité élevées, garantissant ainsi la fiabilité.
（3） Propriétés thermiques
Conductivité thermique élevée, coefficients de dilatation thermique correspondant à ceux des matériaux associés (en particulier avec Si) et excellente résistance à la chaleur.
(4)Autres propriétés
Excellente stabilité chimique, métallisation facile avec une forte adhérence pour les modèles de circuits, non hygroscopique, résistant à l'huile, résistant aux produits chimiques, à faible émission de rayons X, non toxique et la structure cristalline reste inchangée dans la plage de température de fonctionnement.
4. Techniques de fabrication de substrats céramiques (HTCC, LTCC, DPC, DBC, AMB)
Les substrats céramiques sont principalement classés en substrats céramiques plats et substrats céramiques tridimensionnels en fonction des processus de fabrication. Les principales technologies de substrats céramiques plats comprennent la céramique à couche mince (TFC), la céramique imprimée à couche épaisse (TPC), le cuivre à liaison directe (DBC), le brasage métallique actif (AMB) et le cuivre à placage direct (DPC). Les principaux substrats céramiques tridimensionnels comprennent la céramique cocuite à haute température (HTCC) et la céramique cocuite à basse température (LTCC).
(1)HTCC (Céramique Cocuite à Haute Température)
Développé précédemment, le HTCC implique la co-cuisson de céramiques avec des motifs métalliques à point de fusion élevé tels que W, Mo pour obtenir des substrats céramiques multicouches. Cependant, sa température de frittage élevée limite le choix du matériau d’électrode et son coût de production est relativement élevé, ce qui a incité au développement du LTCC.
(2)LTCC (Céramique Cocuite à Basse Température)
LTCC abaisse la température de co-cuisson à environ 850°C, en empilant et en co-cuisant plusieurs couches de film céramique avec des motifs métalliques pour obtenir un câblage de circuit tridimensionnel. LTCC excelle dans l'intégration passive et trouve de nombreuses applications dans divers marchés tels que l'électronique grand public, la communication, l'automobile et la défense.
(3)DPC (cuivre à placage direct)
Développé sur la base de la technologie des films céramiques, le DPC dépose du cuivre sur des substrats céramiques à l'aide de la technologie de pulvérisation cathodique et forme des circuits par des processus de galvanoplastie et de photolithographie.
(4)DBC (cuivre à liaison directe)
DBC utilise la liaison par fusion thermique pour lier directement une feuille de cuivre aux surfaces céramiques Al2O3 et AlN, formant ainsi des substrats composites. Son goulot d'étranglement technologique réside dans la résolution du problème des microvides entre Al2O3 et la feuille de cuivre, ce qui pose des défis importants en matière de production de masse et de rendement.
(5)AMB (brasage actif des métaux)
Basé sur la technologie DBC, AMB réalise une liaison hétérogène entre la céramique et le métal à l'aide d'une pâte à souder 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, le HTCC et le LTCC appartiennent tous deux aux procédés de frittage, qui entraînent généralement des coûts plus élevés. À l’inverse, DBC et DPC sont des développements relativement récents et matures, orientés vers la production de masse, le DBC utilisant un chauffage à haute température pour lier Al2O3 à des substrats de Cu. Cependant, un défi technique important avec le DBC réside dans la gestion de l'apparition de microvides entre Al2O3 et Cu, ce qui a un impact sur l'évolutivité et les taux de rendement du produit. D'autre part, la technologie DPC utilise le placage de cuivre direct pour déposer du Cu sur des substrats Al2O3, intégrant des matériaux et des techniques de traitement en couches minces. Les produits à base de DPC sont devenus les substrats de dissipation thermique en céramique les plus couramment utilisés ces dernières années. Néanmoins, les exigences exigeantes en matière de contrôle des matériaux et d’intégration de la technologie des processus posent des barrières à l’entrée plus élevées pour entrer dans l’industrie DPC et parvenir à une production stable.
Par rapport aux produits traditionnels, les substrats céramiques AMB atteignent une force de liaison plus élevée et une meilleure fiabilité grâce à des réactions chimiques entre la céramique et la pâte à souder métallique active à haute température. Cela les rend parfaitement adaptés aux scénarios nécessitant des connexions hautes performances ou des exigences de transport de courant et de dissipation thermique élevées, en particulier dans des secteurs tels que les véhicules à énergies nouvelles, le transport ferroviaire, la production d'énergie éolienne, le photovoltaïque, la communication 5G, où la demande de cuivre céramique AMB- les stratifiés plaqués sont importants.
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