Von der Keramik zur Schaltung Dr.. Jürgen Schulz-Harder Harder,, curamik electronics gmbh j.schulz schulz-harder@curamik.de Kooperationsforum Leiterplattentechnologie Trends-Strategien-Innovationen 25.01.2005, Nürnberger Akademie
Generelle Vorzüge von Keramikschaltungsträgern Hohe Temperaturbeständigkeit für nachfolgende Lötprozesse Hohe Wärmeleitfähigkeit: 24 W/mk Al 2 O 3, 180 W/mk AlN Stabil gegen Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit, Salz, Org.. Lösungsmittel Hohe Formstabilität: E-Modul > 350 MPa, Biegebruchfestigkeit > 400 MPa Hohe Isolationsfestigkeit: > 15 KV/mm Geringer Ausdehnungskoeffizient ermöglicht Chip on Board für große Chips: Al 2 O 3 6,8 ppm, AlN 4,0 ppm
Metallisierungsverfahren für keramische Schaltungsträger Dünnschicht (Sputter( Sputter,, PVD-Verfahren) Plate up RM (Refractory( Metallization) ) Mo-Mn-Ni; W, Ni Dickschicht (Au, Pd, Ag, Ag-Pd, Cu) AMB (Acitve( Metal Brazing), Cu DCB (Direct( Bonding), Cu DAB (Direct( Aluminum Bonding), Al
Substratvergleich Technologien auf einen Blick Wärmeausdehnungskoeffizient auf der Metallisierung (Al 2 O 3 Keramik) Strombelastbarkeit verglichen mit lagen 0,3 mm Plate up Dünnschicht RM- Metallisierung 7 7 7 7 <1% 20% (70 µm) <1% <10% (50 µm) AMB 7,2 (0,3 Cu) 100% (0,3 Cu) DBC 7,2 (0,3 Cu) 100% (0,3 Cu) Metallschichtdicke (mm) 0,001-0,01 0,025-0,1 0,01 0,025-0,1 0,2-0,7 0,125-0,7 Haftfestigkeit der Metallschicht N/cm Maximale Anwendungstemperatur Anwendung für Hochspannungsschaltkreise (>6kV) Reduzierund der Biegebruchfestigkeit durch den Metallisierungsprozess Wärmespreizungsfaktor der Metallisierung 0,3 mm Cu = 1 Wärmeleitfähigkeit der dielektrischen Schicht W/mK Vorder- Rückseitendurchkontaktierungen NV = keine Daten verfügbar >50 <50 >50 >50 >50 >50 600 NV 1000 650 650 900 Ja Ja Ja Ja Ja Ja Nein Nein NV NV <0,05 Max. 1200 (Diamant) 0.1 50 µm Dicke Max. 180 (AlN) <0,05 Max. 180 (AlN) 0,1 50 µm Dicke Max. 180 (AlN) bis 50% Reduktion Dickschicht Biegefestigkeit erhöht sich um 50% (0,3 Cu 0,63 Al 2 O 3 ) 1 1 Max. 1200 (Diamant) Max. 180 (AlN) Nein Ja NV Ja Ja Ja
Der DCB Prozess Der DCB Prozess basiert auf der physikalischen Tatsache, dass Sauerstoff den schmelzpunkt von 1083 C auf die eutektische Schmelztemperatur von 1065 C reduziert. Durch die Oxidation von folien oder durch Sauerstoffzufuhr während des Hochtemperaturprozesses zwischen 1065 C und 1080 C entsteht eine dünne eutektische Schmelzschicht. Diese Schicht reagiert mit dem Aluminiumoxid und eine sehr dünne -Aluminium-Spinelschicht entsteht. mit zu verschmelzen ist auf die selbe Art und Weise möglich. -Aluminiumnitrid (AlN( AlN)-DCB ist ebenfalls machbar. Allerdings muss die AlN-Oberlfäche durch Hochtemperatur- oxidation in Aluminiumoxid umgewandelt werden.
DCB Prozess Keramik O 2 oxid 1080 - O 2 -Diffusion und Abkühlung Keramik Keramik Eutektische Schmelze Temperatur in C 1070-1060 - 1050-0 0.4 0.8 1.2 1.6 O 2 -Konzentration in Atom-% Eutektischer Schmelzpunkt Keramik
AlN DCB Prozess AlN Oxidation 4 AlN + 6 O 2 1200 C 2 Al 2 O 3 +2 N 2 1-2 µm Al 2 O 3 AlN Al 2 O 3 DCB Prozess
DCB - Grenzflächen Al 2 O 3 Al 2 O 3 AlN
Ablauf: Herstellung von DCB-Substraten DCB Prozess Maskieren Ätzen Laserritzen Mikroätzen Außen stromlos Ni Außen stromlos Au Lötstopplack Oberfläche Oberfläche Nickel Oberfläche Nickel/Gold Kontrolle Vereinzeln durch Brechen Auslieferung als Einzelteil Auslieferung als Mehrfachnutzen
Eigenschaften von DCB-Substraten Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient trotz relativ dicken lagen (TCE = 7,2-7,4-10 -6 bei 0,3 mm ) Hohe Stromleitfähigkeit (breite 1 mm / -höhe- 0,3 mm, kontinuierlicher Stromfluss 100 A = Temperaturanstieg 14-17 C) Hohe Abzugsfestigkeit des s vom Al 2 O 3 60 N/cm; AlN 45 N/cm bei 50 mm/min Abzugsgeschwindigkeit Hohe Wärmeleitfähigkeit (Al 2 O 3 = 24 W/mK; AlN = 170 W/mK) Niedrige Kapazität zwischen Vorder- - und Rückseitenkupfer (z.b. 18 pf/cm 2 für 0,63 mm Keramik)
Verlustwärme von Leistungselektronikbauteilen 100.000.000 10.000.000 1.000.000 100.000 Chips need Cooling Power Semiconductor Chip Hot-Plate Logic Chips Surface of Sun Saturn V Engine (Case) 10.000 Light Bulb (100 W) 1.000 Heat Loss from Human Body Quelle: Semikron 100 10 100 1000 10000 Temperatur [K]
Aufbau eines Leistungsmodules Stromkontakt Gate-Kontakt Plastikgehäuse Al-Dickdrahtbond Weiche Einkapselung Diode IGBT DCB- / AMB-Substrat grundplatte Wärmesenke Lotverbindung Wärmeleitpaste
Spezielle Ausführungen von und mit DCB-Substraten Durchkontaktierungen Integrierte Anschlüsse 3-Dimensionale Substrate Hermetisch dichte Packages Flüssikeitsgekühlte Substrate
Durchkontaktierungen in DCB-Substraten Beidseitig flache Oberfläche Keramiklochdurchmesser: min. 1,0 mm R< 100 µω Einseitig flache Oberfläche Keramiklochdurchmesser: min. 1,0 mm R< 100 µω Einseitig flache Oberlfäche (kostengünstig) Keramiklochdurchmesser: 2,5 mm (0,3 mm lage) R< 100 µω
Integrierte Anschlüsse Anschlüsse und Schaltungsträger aus einem blech Hohe elektrische Leitfähigkeit ohne Übergangswiderstände Sehr hohe Ausfallsicherheit
3-Dimensionale DCB-Substrate Extrem Ausfallsicher durch integrierte Verbindungen Basis für Leistung Für sehr hohe Dichtig- keitsanforderungen Seitenwände für Nichtleistungs- komponenten Flach aufgebaut und hochgebogen
Hermetisch dichte Packages 3 Versionen erhältlich: Anschlüsse nach oben zur Seite nach unten Alle hermetisch Dicht Sehr hohe Stromstärken MIL Temperaturzyklen
Verschiedene Package-Typen I Kovardeckel Anschlüsse zur Seite Kovarrahmen Drahtbond Chip 1 Kovardeckel Anschlüssen nach Oben Kovarrahmen Drahtbond Chip 2 Keramik 1 Durchkontaktierung 2 Gebondeter Pin
Verschiedene Package Typen II Kovardeckel Anschlüsse nach unten Kovarrahmen Drahtbond Chip Kovardeckel Glasdurchführungen u. SMT Chip Drahtbond Kovarrahmen Glas Kovarpin 1 Kovardeckel SMT Kovarrahmen Drahtbond Chip Keramik 1 Durchkontaktierung 2 Gebondeter Pin 1
Flüssikeitsgekühltes DCB-Substrat Flüssigkeit Keramikisolationslage Basis Element Chip Montage Ebene
Querschnitt: Flüssigkeits- gekühltes DCB-Substrat Schnitt A Chip Montage Ebene Schnitt B Chip Montage Ebene Keramikisolierung Keramikisolierung Keramikisolierung
Flüssigkeitsgekühltes Modul Halbe Brücke 6 IGBT 12 Dioden 62 mm Standard Modulgröße 450 A Kühlwasser- temperatur bis zu 80 C möglich
Applikationen für DCB- Technologien Leistungshalbleiter - Bauelemente IGBT-, MOS-Module Diode-, Thyristor-Module Solid-State-Relais Diskrete Bauelemente DCB Telekommunikation / IT Stromversorgung SAT Stromversorgung Vermittlung Personal Computer Server Substrate Mikrokanalkühler Luft-/Raumfahrt Stellmotorensteuerung Elektronische Schalter Stromversorgung DC/DC-Wandler DC/AC-Wandler Automobilelektronik Zündung Elektronische Lenkhilfe ISAD-Integrierter Starter/Lichtmaschine Diesel- u. Wasserpumpensteuerung Stellmotorensteuerung Klimagerätesteuerung LED-Frontleuchten HEV (Hybrid Electric Vehicle) Militär / Verteidigung Digitale Nachrichtentechnik Radar Industrieelektronik Frequenzumrichter Schweißapparat Pumpensteuerung Bahn-Antrieb/Stromversorgung Antriebssteuerung Kühltechnik (Peltier) LED-Beleuchtung Laser
Applikationen für DCB Typische DCB-Substrate werden in Hochleistungs- modulen verwendet um Hitze abzuleiten Strom zu leiten zu isolieren Module werden hauptsächlich als elektronische Steuerung eingesetzt z. B. in Antrieben Industrieleistungsmodul Größe: 140 x 140 mm, 1700 V, 1200 A Auto: Elektronische Lenkhilfe, Größe: 40 x 20 mm