Keramische Leiterplatten: Datengesteuerte Zuverlässigkeit bei extremen Wärmemanagementbedingungen
In der Hochleistungselektronik ist Wärme nicht nur eine Herausforderung, sondern ein potenzieller Fehlerpunkt. Wenn die Leistungsdichte einen bestimmten Wert überschreitet, … 20 W/cm², Organische Substrate wie FR-4 wirken eher als Isolatoren denn als Leiter, was zu einer schnellen Alterung der Bauteile führt. Unsere Keramik-Leiterplattenlösungen (Al₂O₃ & AlN) wandeln das Substrat in eine aktive Komponente für das Wärmemanagement um.
In der Elektronik ist die Wärmeableitung eine präzise physikalische Messgröße und kein beschreibender Begriff. Wenn die Leistungsdichte einen bestimmten Wert überschreitet, … 20 W/cm², Die physikalischen Eigenschaften des Substrats bestimmen direkt die Ausfallrate und die Rücklaufquote des Produkts im Feld.
1. Fallstudie: Analyse thermischer Ausfälle in der Leistungselektronik einer 5G-Basisstation
Hintergrund: Ein HF-Ingenieur verwendete Hochfrequenz-PTFE-Platinen in einem 5G-mmWave-Moduldesign.
Problem: Nach 15 Minuten Betrieb erreichte die Chip-Sperrschichttemperatur 115°C, was zu einer signifikanten Signalverstärkungsdrift und einer thermischen Abschaltung führt.
Lösung: Substrat ersetzt durch 0,5 mm Aluminiumnitrid (AlN) Keramik-Leiterplatte.
Vergleich der Wärmeleitfähigkeit:
PTFE (gefüllt): ~0,6-0,8 W/m·K
AlN-Substrat: 180 W/m·K
Ergebnis: Bei identischer Leistungsaufnahme sank die Sperrschichttemperatur von 115 °C auf 68°C.
Zuverlässigkeitsgewinn: Eine Temperaturreduktion um 47 °C korreliert mit einer 4,5-fache Erweiterung in der Lebensdauer des Geräts basierend auf dem Arrhenius-Modell.
[Abbildung 1 einfügen: Vergleich der Wärmebildgebung]
Links: FR-4/PTFE-Substrat mit lokalisierten Hotspots (Rot/Lila).
Rechts: AlN-Substrat mit schneller Wärmeverteilung (Blau/Grün), wodurch eine Wärmeansammlung vermieden wird.
2. Prozessfähigkeit: Präzision im Mikrometerbereich bei DPC (Dünnschicht)
Für Sensoren, die lasergebohrte Durchkontaktierungen oder Feinleitungsschaltungen erfordern, reichen herkömmliche Dickschichtdruckverfahren oder mechanische Bearbeitung nicht aus.
Über die Fähigkeit: Mindestdurchmesser beim Laserbohren 0,05 mm (50 μm).
Oberflächenrauheit (Ra): Nachbearbeitung Ra < 0,1 μm, wodurch die Verluste durch den "Skin-Effekt" bei hochfrequenten Signalen deutlich reduziert werden.
[Abbildung 2 einfügen: Mikroskopischer Querschnitt einer DPC-Schaltung]
Visueller Fokus: Enge Grenzfläche zwischen Kupfer und Keramik; 100%-Vollkupfer-gefüllte Durchkontaktierungen.
3. Leistungselektronik: Haltbarkeit von DBC (Direct Bonded Copper).
In Wechselrichtern für Elektrofahrzeuge oder IGBT-Modulen dient das Keramiksubstrat sowohl als Wärmeverteiler als auch als Hochspannungsisolator.
Durchschlagsfestigkeit: Das 0,635 mm dicke Aluminiumoxidsubstrat liefert die Durchbruchspannung > 15 kV.
Aktueller Lasttest:
Dickenvorteil: Die Kupferdicke von DBC ist bis zu individuell anpassbar. 300 μm (9 oz).
Empirische Daten: Bei einem kurzzeitigen Stromstoß von 300 A bleibt der Temperaturanstieg bestehen unter 10 °C, um thermische Ermüdung im Leistungsmodul zu verhindern.
[Abbildung 3 einfügen: Aufschlüsselung der DBC-Schichtstruktur]
4. Objektive Beschränkungen bei der Herstellung von Keramik-Leiterplatten
Um Kostenfallen in der Entwurfsphase zu vermeiden, müssen Ingenieure die folgenden physikalischen Einschränkungen berücksichtigen:
Dimensionsgrenzen: Aufgrund der Sprödigkeit der Keramik sind die Paneelgrößen typischerweise beschränkt auf 114 mm x 114 mm oder 138 mm x 190 mm. Größere Paneele erhöhen das Risiko von Mikrorissen während der Logistik und Montage.
Singulationsdesign: Die traditionelle V-Scoring-Methode ist nicht anwendbar. Laserbeschriftung Um zu verhindern, dass sich Mikrorisse an den Kanten während der Temperaturwechselbeanspruchung ausdehnen, ist ein vollständiges Laserschneiden erforderlich.
Lieferzeit: Die Materialbeschaffung für bestimmte Keramiksorten dauert 3-5 Tage. Bei spezialisierter Bearbeitung beträgt die Standardlieferzeit 10-15 Werktage.
Zusammenfassung: Anforderungen an ein genaues Angebot
Um eine DFM-Prüfung (Design for Manufacturability) und ein Angebot zu erhalten, geben Sie bitte die folgenden technischen Daten an:
Material: Al₂O₃ (96% oder 99%) oder AlN?
Substratdicke: 0,38 mm / 0,5 mm / 0,635 mm / 1,0 mm?
Verfahren: DPC (Hochpräzision) oder DBC (Hochstrom)?
Kupfergewicht: 35 μm, 70 μm oder 300 μm+?
Besondere Anforderungen: Kupfergefüllte Durchkontaktierungen oder spezielle Oberflächenveredelungen (ENIG/ENEPIG)?
