Las principales ventajas, propiedades y tecnología de proceso de los sustratos cerámicos.
Los sustratos cerámicos desempeñan un papel vital en el campo de la electrónica debido a sus importantes ventajas, como alta conductividad térmica, excelentes propiedades de aislamiento y conductividad térmica. Sin embargo, ¿cuáles son las ventajas destacadas de los sustratos cerámicos en comparación con las obleas cerámicas?
1. Diferencia entre sustratos cerámicos y obleas cerámicas
Las obleas cerámicas sirven como materiales planos que proporcionan una base de soporte para elementos de circuitos de película y componentes montados en superficie sobre una base cerámica electrónica.
Por otro lado, los sustratos cerámicos implican un proceso especializado en el que una lámina de cobre se une directamente a la superficie de una oblea cerámica (de una o dos caras) a altas temperaturas. El sustrato compuesto ultrafino resultante exhibe un excelente aislamiento eléctrico, alta conductividad térmica, excelente soldabilidad, alta fuerza de adhesión y puede grabarse con varios patrones similares a los PCB, por lo que posee una importante capacidad de transporte de corriente.Por tanto, los sustratos cerámicos se han convertido en materiales fundamentales para las tecnologías estructurales y de interconexión de circuitos electrónicos de alta potencia.
2 、 Ventajas principales de los sustratos cerámicos
Los sustratos cerámicos exhiben una fuerte resistencia al estrés mecánico y estabilidad de forma, alta resistencia, conductividad térmica y aislamiento, junto con una fuerte unión y resistencia a la corrosión. Ofrecen un excelente rendimiento de ciclos térmicos y alta confiabilidad, lo que permite grabar varios patrones similares a los PCB (o sustratos IMS). Los sustratos cerámicos no son contaminantes y son respetuosos con el medio ambiente.
3 、 Propiedades de los sustratos cerámicos
(1) Propiedades mecánicas
Una resistencia mecánica suficientemente alta permite su uso como componentes de soporte además de elementos de montaje, con buena maquinabilidad y alta precisión dimensional.
(2)Propiedades electricas
La alta resistencia de aislamiento y el voltaje de ruptura, la baja constante dieléctrica y la mínima pérdida dieléctrica garantizan un rendimiento estable en condiciones de alta temperatura y humedad, lo que garantiza la confiabilidad.
(3) Propiedades térmicas
Alta conductividad térmica, coeficientes de expansión térmica coincidentes con materiales relacionados (especialmente con Si) y excelente resistencia al calor.
(4)Otras propiedades
Excelente estabilidad química, fácil metalización con fuerte adhesión para patrones de circuitos, no higroscópico, resistente al aceite, resistente a productos químicos, baja emisión de rayos X, no tóxico y la estructura cristalina permanece sin cambios dentro del rango de temperatura de funcionamiento.
4、Ceramic Substrate Manufacturing Techniques (HTCC, LTCC, DPC, DBC, CON)
Los sustratos cerámicos se clasifican principalmente en sustratos cerámicos planos y sustratos cerámicos tridimensionales según los procesos de fabricación. Las principales tecnologías de sustratos cerámicos planos incluyen cerámica de película delgada (TFC), cerámica impresa de película gruesa (TPC), cobre adherido directamente (DBC), soldadura fuerte activa de metal (AMB) y revestimiento directo de cobre (DPC). Los principales sustratos cerámicos tridimensionales incluyen la cerámica cocida a alta temperatura (HTCC) y la cerámica cocida a baja temperatura (LTCC).
(1)HTCC (Cerámica cocida a alta temperatura)
Desarrollado anteriormente, HTCC implica la cocción conjunta de cerámica con patrones metálicos de alto punto de fusión, como W, Mo, para obtener sustratos cerámicos multicapa. Sin embargo, su alta temperatura de sinterización limita la selección del material del electrodo y el costo de producción es relativamente alto, lo que impulsó el desarrollo de LTCC.
(2)LTCC (Cerámica cocida a baja temperatura)
LTCC reduce la temperatura de co-combustión a aproximadamente 850°C, apilando y co-cociendo múltiples capas de película cerámica con patrones metálicos para lograr un cableado de circuito tridimensional. LTCC destaca en la integración pasiva y encuentra una amplia aplicación en diversos mercados, como la electrónica de consumo, las comunicaciones, la automoción y la defensa.
(3)DPC (cobre enchapado directo)
Desarrollado a partir de la tecnología de película cerámica, el DPC deposita cobre sobre sustratos cerámicos mediante tecnología de pulverización catódica y forma circuitos mediante procesos de galvanoplastia y fotolitografía.
(4)DBC (cobre adherido directamente)
DBC utiliza unión por fusión térmica para unir directamente láminas de cobre a superficies cerámicas de Al2O3 y AlN, formando sustratos compuestos. Su cuello de botella tecnológico radica en abordar el desafío de los microhuecos entre el Al2O3 y la lámina de cobre, lo que plantea importantes desafíos para la producción en masa y el rendimiento.
(5)AMB (soldadura fuerte de metal activo)
Basado en la tecnología DBC, AMB logra una unión heterogénea entre cerámica y metal utilizando pasta de soldadura AgCu que contiene elementos activos Ti, Zr, facilitando la humectación y la reacción en la interfaz cerámica-metal a alrededor de 800°C.
Entre los cinco procesos principales mencionados, tanto el HTCC como el LTCC pertenecen a procesos de sinterización, que generalmente conllevan costes más elevados. Por el contrario, DBC y DPC son desarrollos relativamente recientes y maduros orientados a la producción en masa, en los que DBC emplea calentamiento a alta temperatura para unir Al2O3 con sustratos de Cu. Sin embargo, un desafío técnico importante con DBC radica en abordar la aparición de microhuecos entre Al2O3 y Cu, lo que afecta la escalabilidad y las tasas de rendimiento del producto. Por otro lado, la tecnología DPC utiliza revestimiento de cobre directo para depositar Cu sobre sustratos de Al2O3, integrando materiales y técnicas de procesamiento de películas delgadas. Los productos basados en DPC se han convertido en los sustratos cerámicos de disipación de calor más utilizados en los últimos años. Sin embargo, los exigentes requisitos para el control de materiales y la integración de la tecnología de procesos plantean barreras de entrada más altas para ingresar a la industria DPC y lograr una producción estable.
En comparación con los productos tradicionales, los sustratos cerámicos AMB logran una mayor fuerza de unión y una mejor confiabilidad a través de reacciones químicas entre la pasta de soldadura de cerámica y metal activo a altas temperaturas. Esto los hace muy adecuados para escenarios que requieren conexiones de alto rendimiento o requisitos de disipación de calor y transporte de alta corriente, particularmente en industrias como vehículos de nueva energía, transporte ferroviario, generación de energía eólica, energía fotovoltaica, comunicación 5G, donde la demanda de cobre cerámico AMB. laminados revestidos es importante.
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