Die wichtigsten Vorteile, Eigenschaften und Prozesstechnologie von Keramiksubstraten
Aufgrund ihrer bedeutenden Vorteile wie hoher Wärmeleitfähigkeit, hervorragenden Isolationseigenschaften und Wärmeleitfähigkeit spielen Keramiksubstrate eine wichtige Rolle im Bereich der Elektronik. Doch was sind die herausragenden Vorteile von Keramiksubstraten im Vergleich zu Keramikwafern?
1、Unterschied zwischen Keramiksubstraten und Keramikwafern
Keramikwafer dienen als flache Materialien und bieten eine tragende Basis für Folienschaltungselemente und oberflächenmontierte Komponenten auf einer elektronischen Keramikbasis.
Bei Keramiksubstraten hingegen handelt es sich um einen speziellen Prozess, bei dem Kupferfolie bei hohen Temperaturen direkt mit der Oberfläche eines Keramikwafers (einseitig oder doppelseitig) verbunden wird. Das resultierende ultradünne Verbundsubstrat weist eine hervorragende elektrische Isolierung, hohe Wärmeleitfähigkeit, hervorragende Lötbarkeit und hohe Haftfestigkeit auf und kann mit verschiedenen Mustern ähnlich wie PCBs geätzt werden, wodurch es über eine erhebliche Stromtragfähigkeit verfügt.Daher sind Keramiksubstrate zu grundlegenden Materialien für die Struktur- und Verbindungstechnologien elektronischer Hochleistungsschaltungen geworden.
2、Kernvorteile von Keramiksubstraten
Keramiksubstrate zeichnen sich durch eine hohe mechanische Belastbarkeit und Formstabilität, eine hohe Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Isolierung sowie eine starke Bindung und Korrosionsbeständigkeit aus. Sie bieten eine hervorragende Temperaturwechselleistung und hohe Zuverlässigkeit und ermöglichen das Ätzen verschiedener Muster ähnlich wie bei Leiterplatten (oder IMS-Substraten). Keramiksubstrate sind umweltfreundlich und umweltfreundlich.
3、Eigenschaften von Keramiksubstraten
(1)Mechanische Eigenschaften
Eine ausreichend hohe mechanische Festigkeit ermöglicht den Einsatz als Trägerbauteil neben Befestigungselementen bei guter Bearbeitbarkeit und hoher Maßhaltigkeit.
(2)Elektrische Eigenschaften
Ein hoher Isolationswiderstand und eine hohe Durchschlagsspannung, eine niedrige Dielektrizitätskonstante und ein minimaler dielektrischer Verlust sorgen für eine stabile Leistung unter Bedingungen hoher Temperatur und Luftfeuchtigkeit und sorgen für Zuverlässigkeit.
(3)Thermische Eigenschaften
Hohe Wärmeleitfähigkeit, passende Wärmeausdehnungskoeffizienten mit verwandten Materialien (insbesondere mit Si) und ausgezeichnete Wärmebeständigkeit.
(4)Andere Eigenschaften
Hervorragende chemische Stabilität, einfache Metallisierung mit starker Haftung für Schaltkreismuster, nicht hygroskopisch, ölbeständig, chemikalienbeständig, geringe Röntgenemission, ungiftig und die Kristallstruktur bleibt im Betriebstemperaturbereich unverändert.
4、Keramiksubstrat-Herstellungstechniken (HTCC, LTCC, DPC, DBC, AMB)
Keramiksubstrate werden basierend auf den Herstellungsverfahren hauptsächlich in flache Keramiksubstrate und dreidimensionale Keramiksubstrate eingeteilt. Zu den wichtigsten Technologien für flache Keramiksubstrate gehören Dünnschichtkeramik (TFC), Dickschichtkeramik (TPC), Direct Bonded Copper (DBC), Active Metal Brazing (AMB) und Direct Plating Copper (DPC). Zu den wichtigsten dreidimensionalen Keramiksubstraten gehören mitgebrannte Hochtemperaturkeramik (HTCC) und mitgebrannte Niedertemperaturkeramik (LTCC).
(1)HTCC (Hochtemperatur-Co-Fired-Keramik)
HTCC wurde früher entwickelt und beinhaltet das gemeinsame Brennen von Keramik mit hochschmelzenden Metallmustern wie W und Mo, um mehrschichtige Keramiksubstrate zu erhalten. Allerdings schränkt die hohe Sintertemperatur die Auswahl des Elektrodenmaterials ein und die Produktionskosten sind relativ hoch, was zur Entwicklung von LTCC führte.
(2)LTCC (Low-Temperature Co-Fired Ceramic)
LTCC senkt die Co-Firing-Temperatur auf etwa 850 °C, indem mehrere Keramikfilmschichten mit Metallmustern gestapelt und gemeinsam gebrannt werden, um eine dreidimensionale Schaltkreisverdrahtung zu erreichen. LTCC zeichnet sich durch passive Integration aus und findet breite Anwendung in verschiedenen Märkten wie Unterhaltungselektronik, Kommunikation, Automobil und Verteidigung.
(3)DPC (Direct Plating Copper)
DPC wurde auf der Grundlage der Keramikfilmtechnologie entwickelt und scheidet Kupfer mithilfe der Sputtertechnologie auf Keramiksubstraten ab und bildet Schaltkreise durch Galvanisierungs- und Fotolithografieprozesse.
(4)DBC (Direct Bonded Copper)
DBC nutzt thermisches Schmelzbonden, um Kupferfolie direkt mit Al2O3- und AlN-Keramikoberflächen zu verbinden und so Verbundsubstrate zu bilden. Sein technologischer Engpass liegt in der Bewältigung des Problems der Mikrohohlräume zwischen Al2O3 und Kupferfolie, was erhebliche Herausforderungen für die Massenproduktion und Ausbeute mit sich bringt.
(5)AMB (Aktives Metalllöten)
Basierend auf der DBC-Technologie erreicht AMB mithilfe einer AgCu-Lötpaste, die die aktiven Elemente Ti und Zr enthält, eine heterogene Verbindung zwischen Keramik und Metall und erleichtert so die Benetzung und Reaktion an der Keramik-Metall-Grenzfläche bei etwa 800 °C.
Unter den fünf genannten Hauptverfahren gehören sowohl HTCC als auch LTCC zu den Sinterverfahren, die in der Regel höhere Kosten verursachen. Im Gegensatz dazu handelt es sich bei DBC und DPC um relativ neue, ausgereifte Entwicklungen, die auf die Massenproduktion ausgerichtet sind, wobei DBC eine Hochtemperaturerhitzung nutzt, um Al2O3 mit Cu-Substraten zu verbinden. Eine erhebliche technische Herausforderung bei DBC besteht jedoch darin, das Auftreten von Mikrohohlräumen zwischen Al2O3 und Cu anzugehen, die sich auf die Skalierbarkeit und Ausbeute des Produkts auswirken. Andererseits nutzt die DPC-Technologie die direkte Verkupferung, um Cu auf Al2O3-Substraten abzuscheiden, und integriert dabei Materialien und Dünnschichtverarbeitungstechniken. DPC-basierte Produkte haben sich in den letzten Jahren zu den am häufigsten verwendeten keramischen Wärmeableitungssubstraten entwickelt. Dennoch stellen die anspruchsvollen Anforderungen an die Materialkontrolle und die Integration der Prozesstechnologie höhere Eintrittsbarrieren für den Einstieg in die DPC-Branche und die Erzielung einer stabilen Produktion dar.
Im Vergleich zu herkömmlichen Produkten erreichen AMB-Keramiksubstrate durch chemische Reaktionen zwischen Keramik und Aktivmetalllotpaste bei hohen Temperaturen eine höhere Bindungsfestigkeit und eine bessere Zuverlässigkeit. Dadurch eignen sie sich hervorragend für Szenarien, die Hochleistungsverbindungen oder hohe Stromtransport- und Wärmeableitungsanforderungen erfordern, insbesondere in Branchen wie Fahrzeugen mit neuer Energie, Schienenverkehr, Windkrafterzeugung, Photovoltaik und 5G-Kommunikation, wo Bedarf an AMB-Keramik-Kupfer- plattierte Laminate sind von Bedeutung.
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