Per il packaging elettronico, i substrati ceramici svolgono un ruolo chiave nel collegare i canali di dissipazione del calore interni ed esterni, nonché l'interconnessione elettrica e il supporto meccanico. I substrati ceramici presentano i vantaggi di un'elevata conduttività termica, una buona resistenza al calore, un'elevata resistenza meccanica e un basso coefficiente di dilatazione termica e sono i materiali di substrato comuni per l'imballaggio dei dispositivi a semiconduttore di potenza.
In termini di struttura e processo di fabbricazione, i substrati ceramici sono classificati in 5 tipi.
Substrati ceramici multistrato co-cottura ad alta temperatura (HTCC)
Substrati ceramici co-cottura a bassa temperatura (LTCC)
Substrati ceramici a film spesso (TFC)
Substrati ceramici in rame con legame diretto (DBC)
Substrati ceramici in rame con placcatura diretta (DPC)
Diversi processi di produzione
Il substrato ceramico Direct Bonded Copper (DBC) viene prodotto aggiungendo ossigeno tra rame e ceramica per ottenere una soluzione eutettica Cu-O tra 1065 ~ 1083 ℃, seguita dalla reazione per ottenere la fase intermedia (CuAlO2 o CuAl2O4), realizzando così la combinazione chimica metallurgica di lastra di rame e substrato ceramico, e infine realizzando la preparazione grafica mediante tecnologia litografica per formare il circuito.
Il coefficiente di dilatazione termica del substrato DBC è molto vicino a quello dei materiali epitassiali dei LED, il che può ridurre significativamente lo stress termico generato tra il chip e il substrato.
Il substrato ceramico Direct Plated Copper (DPC) viene realizzato spruzzando uno strato di rame sul substrato ceramico, quindi esponendo, incidendo, defilmando e infine aumentando lo spessore della linea di rame mediante galvanica o placcatura chimica, dopo aver rimosso il fotoresist, il la linea metallizzata è completata.
Diversi vantaggi e svantaggi
Vantaggi del substrato ceramico DBC
Poiché il foglio di rame ha una buona conduttività elettrica e termica, DBC presenta i vantaggi di una buona conduttività termica, un buon isolamento, un'elevata affidabilità ed è stato ampiamente utilizzato nei pacchetti IGBT, LD e CPV. Soprattutto a causa della lamina di rame più spessa (100~600μm), presenta evidenti vantaggi nel campo dell'imballaggio IGBT e LD.
Svantaggi del substrato ceramico DBC
Il processo di produzione utilizza una reazione eutettica tra Cu e Al2O3 ad alte temperature, che richiede un elevato livello di apparecchiature di produzione e controllo del processo, rendendo così il costo elevato.
A causa della facile generazione di microporosità tra lo strato Al2O3 e Cu, che riduce la resistenza agli shock termici del prodotto, questi svantaggi diventano il collo di bottiglia della promozione del substrato DBC.
Vantaggi del substrato ceramico DPC
Viene utilizzato il processo a bassa temperatura (inferiore a 300°C), che evita completamente gli effetti negativi dell'alta temperatura sul materiale o sulla struttura della linea e riduce anche il costo del processo di produzione.
L'uso della tecnologia a film sottile e fotolitografia, in modo che il substrato sulla linea metallica sia più fine, quindi il substrato DPC è ideale per l'allineamento dei requisiti di alta precisione per l'imballaggio di dispositivi elettronici.
Svantaggi del substrato ceramico DPC
Spessore limitato dello strato di rame depositato galvanicamente ed elevato inquinamento della soluzione di scarto galvanica.
La forza di adesione tra lo strato metallico e la ceramica è bassa e l'affidabilità del prodotto è bassa quando applicato.
