Чому теплопровідність є критичною для керамічних підкладок AlN
У невпинній гонитві за вищою щільністю потужності та мініатюризацією в електроніці головним вузьким місцем стало керування температурою. Для менеджерів із закупівель та інженерів-конструкторів, які шукають компоненти для систем наступного покоління, керамічні підкладки з нітриду алюмінію (AlN) представляють собою технологічний стрибок вперед, насамперед завдяки своїй винятковій теплопровідності. У цій статті пояснюється, чому ця єдина властивість є ключовою та що це означає для додатків від електромобілів до інфраструктури 5G.
Фізика розсіювання тепла: чому AlN кращий
Теплопровідність (κ) вимірює здатність матеріалу проводити тепло. В електронній упаковці ефективна передача тепла від напівпровідникової матриці (джерела тепла) до радіатора або навколишнього середовища має вирішальне значення для запобігання зниженню продуктивності та відмові.
Порівняння теплопровідності (Вт/м·K)
- FR-4 (стандартна плата): 0,3 - 0,4
- Глинозем (96% Al₂O₃): 20 - 25
- Глинозем (99,6%): 24 - 30
- Нітрид алюмінію (AlN): 170 - 220
- Оксид берилію (BeO): 250 - 300 (токсичний)
- Карбід кремнію (SiC): 120 - 140
Завдяки теплопровідності ≥ 175 Вт/м·K (і преміум класу ≥ 200 Вт/м·K), AlN проводить тепло приблизно в 7-8 разів краще, ніж стандартний оксид алюмінію . Ця фундаментальна властивість безпосередньо перетворюється на кілька переваг на системному рівні, що робить його наріжним каменем для вдосконалених електронних керамічних виробів .
Прямий вплив високої теплопровідності
1. Знижена температура з’єднання та підвищена надійність
Кожне підвищення температури напівпровідникового переходу на 10 °C може вдвічі скоротити його термін служби (рівняння Арреніуса). Покращене розподіл тепла AlN знижує термічний опір між кристалом і системою охолодження, безпосередньо знижуючи температуру з’єднання (Tj) і експоненціально збільшуючи надійність пристрою та середній час напрацювання на відмову (MTBF).
2. Підвищена щільність потужності та мініатюризація
Вища теплопровідність дозволяє розробникам упакувати більше потужності в меншу площу або працювати з існуючими конструкціями на вищих струмах без перегріву. Це важливо для поточної мініатюризації інверторів електроенергії EV , потужних світлодіодних матриць і радіочастотних підсилювачів потужності для 5G.
3. Зменшення термічної напруги та викривлення
Ефективно розподіляючи тепло, AlN мінімізує локалізовані гарячі точки та великі градієнти температури на підкладці. Це, у поєднанні з коефіцієнтом теплового розширення (КТР), який близько відповідає кремнію (4,5 ppm/K для AlN проти 4,1 ppm/K для Si), різко знижує термомеханічну напругу, запобігаючи втомі паяних з’єднань, розтріскуванню матриці та викривленню підкладки — загальна проблема зі стандартними керамічними підкладками з глинозему в системах із високим циклом.
5 ключових міркувань щодо постачання підкладок AlN
Перевірені значення теплопровідності
Не покладайтеся на загальні таблиці даних. Вимагайте звіти про випробування на теплопровідність (κ) для окремих партій. Значення можуть змінюватись залежно від чистоти, розміру зерна та процесу спікання. Переконайтеся, що постачальник забезпечує стабільну, сертифіковану продуктивність.
Відповідність КТР за допомогою напівпровідникових матриць
Перевірте CTE підкладки, щоб забезпечити сумісність із конкретним матеріалом матриці (Si, SiC, GaN). Невідповідність CTE є основною причиною невдач у тестах циклічної потужності.
Якість металізації для оптимальної теплопередачі
Тепловий шлях настільки міцний, наскільки міцний його найслабша ланка. Якість скріпленого металевого шару (Cu через DPC або DBC ) є критичною. Оцініть міцність на відрив і відсоток пустот, щоб забезпечити безперешкодний потік тепла в основу.
Діелектрична міцність і чистота
Висока теплопровідність не повинна відбуватися за рахунок електричної ізоляції. Переконайтеся, що підкладка підтримує високу діелектричну міцність (>15 кВ/мм) і низький рівень іонних домішок (особливо для високонадійних застосувань).
Загальне теплове рішення, а не лише частина
Співпрацюйте з постачальниками, які розуміють всю систему теплової обробки — від матеріалу для кріплення матриці до інтерфейсу радіатора. Вони повинні запропонувати конструкторську підтримку для оптимізації геометрії підкладки, шаблону металізації та навіть рекомендувати сумісну металізовану кераміку для корпусів упаковок.
Динаміка технологій і майбутні тенденції
Поява широкозонних напівпровідників (SiC/GaN)
Ці пристрої працюють при вищих температурах, частотах і щільності потужності, ніж кремній. AlN з його відмінними термічними властивостями та КТР стає субстратом вибору для розкриття повного потенціалу, особливо в автомобільній та енергетичній промисловості .
Передові методи металізації
Крім традиційного DBC, такі методи, як активна пайка металу (AMB), набувають популярності для ще міцніших і надійніших з’єднань, особливо в поєднанні з підкладками нового покоління, такими як нітрид кремнію (Si₃N₄) AMB, для надзвичайної стійкості до механічних ударів.
Інтеграція та 3D упаковка
Прагнення до гетерогенної інтеграції наполягає на підкладках, які можуть управляти теплом від кількох різнорідних мікросхем в одному корпусі. Властивості AlN роблять його сильним кандидатом для цих передових 2.5D/3D архітектур пакування.
Як досягається висока теплопровідність: погляд на виробництво
Виробництво AlN зі стабільною високою теплопровідністю є складним процесом:
- Сировина високого ступеня чистоти: починати з порошку AlN виняткової чистоти та контрольованого розміру частинок є основним.
- Розширене спікання: спікання в ретельно контрольованих атмосферах при температурах, що перевищують 1800°C, необхідне для досягнення високої щільності та мінімізації домішок кисню, які є основними вбивцями теплопровідності в AlN.
- Точний контроль процесу: кожен етап, від змішування порошку до остаточного полірування, повинен ретельно контролюватися, щоб забезпечити кристалічну структуру, яка сприяє ефективному переносу фононів (тепла).
Постачальники з вертикальною інтеграцією контролюють весь цей ланцюг, забезпечуючи надійне виробництво підкладок, які постійно відповідають специфікаціям 175-200+ Вт/м·K.
Поширені запитання: теплові характеристики підкладок AlN
Питання: Чи завжди більш висока теплопровідність краще?
A: Загалом так, для розсіювання тепла. Проте діє закон спадної віддачі. Перехід від оксиду алюмінію (30 Вт/м·K) до AlN (175 Вт/м·K) є значним покращенням. Перехід від 175 до 200 Вт/м·К забезпечує менший відносний приріст, який може не виправдати значного збільшення вартості для всіх застосувань.
З: Як обробка поверхні впливає на теплові характеристики?
Відповідь: більш гладка обробка поверхні (наприклад, полірована) покращує тісний контакт для матеріалів для кріплення матриці або термоінтерфейсу, зменшуючи міжфазний термічний опір. Щоб отримати найкращі теплові характеристики, виберіть відповідну обробку поверхні для процесу складання.
З: Чи можна зробити підкладки AlN такими ж розмірами, як глинозем?
Відповідь: Виготовлення широкоформатних підкладок з AlN є складнішим і дорожчим через складність спікання. Хоча це можливо, це рідше, ніж у випадку з великими підкладками з оксиду алюмінію . Завчасно обговоріть вимоги до розміру з вашим постачальником.
З: Як щодо теплопровідності металізованого AlN?
A: Загальний термічний опір збірки включає металевий шар, з’єднання та кераміку. Високоякісна DBC або DPC металізація з високочистою товстою міддю матиме чудову бічну теплопровідність, доповнюючи вертикальну провідність AlN.
Посилання та технічні джерела
- Slack, GA та ін. (1987). «Власна теплопровідність AIN». Журнал фізики та хімії твердого тіла .
- Іманака, Ю. (2005). Технологія багатошарової низькотемпературної спільно обпаленої кераміки (LTCC) . Спрингер.
- Товариство силової електроніки IEEE. (2022). «Тенденції в матеріалах для управління температурою для широкозонних напівпровідників». Журнал IEEE Power Electronics .
- Дописувачі Вікіпедії. (2023). «Нітрид алюмінію». У Вікіпедії, Вільній енциклопедії .
- Дискусії на технічному форумі на тему «AIN проти BeO проти Al₂O₃ для управління температурою» на таких платформах, як Stack Exchange (Engineering) і ResearchGate.
