As principais vantagens, propriedades e tecnologia de processo dos substratos cerâmicos
Os substratos cerâmicos desempenham um papel vital no campo da eletrônica devido às suas vantagens significativas, como alta condutividade térmica, excelentes propriedades de isolamento e condutividade térmica. No entanto, quais são as vantagens proeminentes dos substratos cerâmicos em comparação com os wafers cerâmicos?
1、Diferença entre substratos cerâmicos e bolachas cerâmicas
Os wafers cerâmicos servem como materiais planos, fornecendo uma base de suporte para elementos de circuito de filme e componentes montados em superfície em uma base eletrônica de cerâmica.
Por outro lado, os substratos cerâmicos envolvem um processo especializado onde a folha de cobre é diretamente ligada à superfície de uma pastilha cerâmica (de um lado ou de dois lados) a altas temperaturas. O substrato composto ultrafino resultante exibe excelente isolamento elétrico, alta condutividade térmica, excelente soldabilidade, alta resistência de adesão e pode ser gravado com vários padrões semelhantes aos PCBs, possuindo assim uma capacidade significativa de transporte de corrente.Portanto, os substratos cerâmicos tornaram-se materiais fundamentais para tecnologias estruturais e de interconexão de circuitos eletrônicos de alta potência.
2、Principais vantagens dos substratos cerâmicos
Os substratos cerâmicos apresentam forte resistência ao estresse mecânico e estabilidade de forma, alta resistência, condutividade térmica e isolamento, juntamente com forte ligação e resistência à corrosão. Eles oferecem excelente desempenho de ciclagem térmica e alta confiabilidade, permitindo a gravação de vários padrões semelhantes a PCBs (ou substratos IMS). Os substratos cerâmicos são não poluentes e ecológicos.
3、Propriedades dos substratos cerâmicos
（1） Propriedades Mecânicas
Resistência mecânica suficientemente elevada permite a utilização como componentes de suporte além de elementos de montagem, com boa usinabilidade e alta precisão dimensional.
(2)Propriedades elétricas
Alta resistência de isolamento e tensão de ruptura, baixa constante dielétrica e perda dielétrica mínima garantem desempenho estável sob condições de alta temperatura e umidade, garantindo confiabilidade.
（3） Propriedades Térmicas
Alta condutividade térmica, combinando coeficientes de expansão térmica com materiais relacionados (especialmente com Si) e excelente resistência ao calor.
(4)Outras propriedades
Excelente estabilidade química, fácil metalização com forte adesão para padrões de circuito, não higroscópico, resistente a óleo, resistente a produtos químicos, baixa emissão de raios X, não tóxico e a estrutura cristalina permanece inalterada dentro da faixa de temperatura operacional.
4、Técnicas de fabricação de substrato cerâmico (HTCC, LTCC, DPC, DBC, AMB)
Os substratos cerâmicos são classificados principalmente em substratos cerâmicos planos e substratos cerâmicos tridimensionais com base em processos de fabricação. As principais tecnologias de substrato cerâmico plano incluem cerâmica de película fina (TFC), cerâmica impressa de película espessa (TPC), cobre ligado diretamente (DBC), brasagem de metal ativo (AMB) e cobre galvanizado direto (DPC). Os principais substratos cerâmicos tridimensionais incluem cerâmica co-queimada de alta temperatura (HTCC) e cerâmica co-queimada de baixa temperatura (LTCC).
(1)HTCC (cerâmica co-queimada de alta temperatura)
Desenvolvido anteriormente, o HTCC envolve co-queima de cerâmica com padrões metálicos de alto ponto de fusão, como W, Mo, para obter substratos cerâmicos multicamadas. No entanto, sua alta temperatura de sinterização limita a seleção do material do eletrodo e o custo de produção é relativamente alto, o que motivou o desenvolvimento do LTCC.
(2)LTCC (Cerâmica Co-queimada de Baixa Temperatura)
O LTCC reduz a temperatura de co-queima para cerca de 850°C, empilhando e co-queimando múltiplas camadas de filme cerâmico com padrões de metal para obter uma fiação de circuito tridimensional. O LTCC se destaca na integração passiva e encontra ampla aplicação em diversos mercados, como eletrônicos de consumo, comunicação, automotivo e defesa.
(3)DPC (cobre revestido direto)
Desenvolvido com base na tecnologia de filme cerâmico, o DPC deposita cobre em substratos cerâmicos usando tecnologia de pulverização catódica e forma circuitos por meio de processos de galvanoplastia e fotolitografia.
(4)DBC (cobre ligado diretamente)
DBC utiliza ligação por fusão térmica para unir diretamente folhas de cobre a superfícies cerâmicas de Al2O3 e AlN, formando substratos compostos. Seu gargalo tecnológico reside em enfrentar o desafio dos microvazios entre o Al2O3 e a folha de cobre, representando desafios significativos para a produção e o rendimento em massa.
(5)AMB (brasagem de metal ativo)
Baseado na tecnologia DBC, o AMB consegue uma ligação heterogênea entre cerâmica e metal usando pasta de solda AgCu contendo elementos ativos Ti, Zr, facilitando a umectação e a reação na interface cerâmica-metal a cerca de 800°C.
Entre os cinco principais processos mencionados, tanto o HTCC como o LTCC pertencem a processos de sinterização, que geralmente incorrem em custos mais elevados. Por outro lado, DBC e DPC são desenvolvimentos relativamente recentes e maduros voltados para a produção em massa, com DBC empregando aquecimento de alta temperatura para ligar Al2O3 a substratos de Cu. No entanto, um desafio técnico significativo com o DBC reside em abordar a ocorrência de microvazios entre Al2O3 e Cu, impactando a escalabilidade e as taxas de rendimento do produto. Por outro lado, a tecnologia DPC utiliza revestimento direto de cobre para depositar Cu em substratos de Al2O3, integrando materiais e técnicas de processamento de filmes finos. Os produtos baseados em DPC tornaram-se os substratos cerâmicos de dissipação de calor mais comumente usados nos últimos anos. No entanto, os exigentes requisitos de controlo de materiais e integração de tecnologia de processos representam barreiras de entrada mais elevadas para entrar na indústria de DPC e alcançar uma produção estável.
Em comparação com produtos tradicionais, os substratos cerâmicos AMB alcançam maior resistência de união e melhor confiabilidade através de reações químicas entre a cerâmica e a pasta de solda de metal ativo em altas temperaturas. Isto os torna altamente adequados para cenários que exigem conexões de alto desempenho ou requisitos de transporte de alta corrente e dissipação de calor, particularmente em indústrias como veículos de novas energias, transporte ferroviário, geração de energia eólica, energia fotovoltaica, comunicação 5G, onde a demanda por cobre cerâmico AMB- laminados revestidos é significativo.
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