Série de substrato cerâmico - Substrato cerâmico de cobre de ligação direta (DBC)
Com o desenvolvimento da tecnologia eletrônica, o nível de integração dos chips continua a aumentar e a fiação do circuito se torna mais fina. Como resultado, a dissipação de energia por unidade de área aumenta, levando ao aumento da geração de calor e possíveis falhas do dispositivo.Substrato cerâmico de liga direta de cobre (DBC)tornou-se um importante material de embalagem eletrônica devido à sua excelente condutividade térmica e condutividade elétrica, especialmente em módulos de potência (IGBT) e módulos eletrônicos de potência integrados.
I. Desenvolvimento do Processo DBC
A tecnologia DBC é baseada principalmente na metalização de substratos cerâmicos de alumina e foi introduzida pela primeira vez na década de 1970 por JF Burgess e YS Sun. Em meados da década de 1980, a equipe de pesquisa DBC da General Electric (GE) nos Estados Unidos tornou a tecnologia prática.
Após anos de desenvolvimento, esta tecnologia fez avanços significativos não apenas nos processos de preparação, mas também na resistência da união e na vida útil da fadiga por ciclagem térmica. Também fez progressos substanciais no campo de embalagens eletrônicas.
II. Princípios do Processo DBC
A ligação direta de cobre é um método de metalização que liga diretamente a folha de cobre na superfície de substratos cerâmicos (principalmenteAl2O3eAlN). O princípio básico é introduzir oxigênio na interface entre o cobre e a cerâmica e, em seguida, formar uma fase líquida eutética Cu/O a 1065 ~ 1083℃, que reage com a base cerâmica e a folha de cobre para gerar CuAlO2 ou Cu(AlO2)2, e consegue a ligação entre a folha de cobre e o substrato com a ajuda da fase intermediária. Como AlN é uma cerâmica não óxido, a chave para depositar cobre em sua superfície é formar uma camada de transição de Al2O3, que ajuda a obter uma ligação efetiva entre a folha de cobre e o substrato cerâmico. A folha de cobre usada na colagem de prensagem a quente DBC é geralmente espessa, variando de 100 a 600 μm, e possui forte capacidade de transporte de corrente, tornando-a adequada para aplicações de vedação de dispositivos em ambientes extremos, como alta temperatura e alta corrente. É um dispositivo padrão bem estabelecido no campo deEmbalagem IGBT e LD, mas a largura mínima da linha nas superfícies DBC é geralmente maior que 100μm, tornando-a inadequada para a produção de circuitos finos.
Processo de preparação para substrato cerâmico DBC
III.Desempenho de Substrato Cerâmico DBC
O substrato cerâmico DBC possui as características de alta condutividade térmica, alto isolamento elétrico, alta resistência mecânica e baixa expansão, típicas da cerâmica. Ele também combina a alta condutividade elétrica e a excelente soldabilidade do cobre livre de oxigênio, permitindo a gravação de vários padrões.
1. Excelente desempenho de isolamento:
O uso de substratos DBC como portadores de chip isola efetivamente o chip da base de dissipação de calor do módulo. A camada de cerâmica Al2O3 ou camada de cerâmica AlN no substrato DBC aumenta a capacidade de isolamento do módulo (tensão de isolamento>2,5KV).
2. Excelente condutividade térmica:
Os substratos DBC têm excelente condutividade térmica. Na operação dos módulos IGBT, uma quantidade significativa de calor é gerada na superfície do chip. Este calor pode ser transferido de forma eficiente através do substrato DBC para a base de dissipação de calor do módulo, que é posteriormente conduzida para o dissipador de calor por meio de graxa térmica, alcançando a dissipação de calor geral do módulo.
3. Coeficiente de expansão térmica semelhante ao silício:
Os substratos DBC têm um coeficiente de expansão térmica semelhante (7,1 ppm/K) ao silício (o principal material dos chips). Essa similaridade evita danos causados por estresse nos cavacos. Os substratos DBC exibem excelentes propriedades mecânicas, resistência à corrosão e deformação mínima, permitindo uma ampla gama de aplicações de temperatura.
4. Boa resistência mecânica: Folha de cobre espessa e materiais cerâmicos de alto desempenho fornecem substratos DBC com boa resistência mecânica e confiabilidade.
5. Forte capacidade de transporte de corrente: Devido às propriedades elétricas superiores dos condutores de cobre e sua alta capacidade de transporte de corrente, os substratos DBC podem suportar alta capacidade de energia.
IIII. Aplicações do Substrato Cerâmico DBC
Os substratos cerâmicos DBC têm uma ampla gama de aplicações, incluindo módulos de LED branco de alta potência, embalagens de dispositivos de LED UV/UV profundo, diodos laser (LD), sensores automotivos, imagens térmicas infravermelhas refrigeradas, comunicações ópticas 5G, refrigeradores de última geração, fotovoltaica concentrada (CPV), dispositivos de RF de microondas e dispositivos de energia eletrônica (IGBTs), entre muitos outros campos. Embora novos tipos de substratos cerâmicos como AMB e DBA tenham surgido, isso não significa que eles possam substituir completamente o DBC. Cada um tem seus próprios cenários de aplicação em termos de energia e custo, e o DBC ainda tem um potencial de mercado significativo.
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