99,6 % Aluminiumoxid-Keramiksubstrat: Die ultimative thermische Grundlage für Hochleistungslaserdioden
Das 99,6 % Aluminiumoxid-Keramiksubstrat von Puwei wurde speziell für die extremen thermischen, mechanischen und elektrischen Anforderungen von optoelektronischen Hochleistungsanwendungen entwickelt. Dieses aus ultrahochreinem (>99,6 %) Aluminiumoxid (Al₂O₃) hergestellte Substrat bietet außergewöhnliche Wärmeableitung, hervorragende elektrische Isolierung und robuste mechanische Stabilität. Es dient als wichtige, leistungsstarke Grundlage für die Montage leistungsstarker mikroelektronischer Komponenten wie Laserdioden und gewährleistet einen zuverlässigen Betrieb, eine längere Lebensdauer und maximale Effizienz in anspruchsvollen Systemen.
Warum 99,6 % Aluminiumoxid der Goldstandard für die Montage von Hochleistungslaserdioden ist
- Optimales Wärmemanagement (hohe Wärmeleitfähigkeit): Leitet die Wärme effizient von der Laserdiodenverbindung ab, verhindert thermisches Durchgehen, Wellenlängenverschiebung und katastrophale Ausfälle und maximiert so die Ausgangsleistung und Gerätelebensdauer.
- Hervorragende elektrische Isolierung und Hochfrequenzleistung: Hervorragende dielektrische Eigenschaften (hoher Volumenwiderstand, niedriger Verlustfaktor) sorgen für eine zuverlässige Isolierung, wodurch es sich ideal für Leistungsgeräte eignet und einen stabilen Betrieb in HF-Schaltkreisen und Mikrowellenanwendungen gewährleistet.
- Außergewöhnliche mechanische Festigkeit und Dimensionsstabilität: Hohe Härte und Biegefestigkeit verhindern Verformungen oder Risse bei thermischer Belastung und mechanischer Belastung und gewährleisten eine präzise Ausrichtung optischer Komponenten über die gesamte Lebensdauer des Produkts.
- Ausgezeichnete Chemikalien- und Plasmabeständigkeit: Inert gegenüber den meisten Chemikalien und beständig gegen Plasmaerosion, wodurch es für raue Fertigungsumgebungen (z. B. Halbleiterverarbeitung) und anspruchsvolle Endanwendungsbedingungen geeignet ist.
- Hervorragende Oberflächenqualität für präzises Bonden: Kann verarbeitet werden, um eine sehr glatte, flache Oberfläche (niedriger Ra) zu erzielen, was für eine hochwertige Chip-Befestigung (Epoxid-, Löt- oder eutektische Bondung) empfindlicher Laserdiodenbarren und -chips von entscheidender Bedeutung ist.
- Bewährte Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz: Bietet im Vergleich zu exotischeren Keramiken das beste Verhältnis von Leistung und Kosten für Hochleistungsanwendungen und stellt eine zuverlässige und wirtschaftliche Lösung für die Massenproduktion dar.
Technische Spezifikationen und Materialeigenschaften
Unsere Substrate aus 99,6 % Aluminiumoxid zeichnen sich durch präzise, konsistente Eigenschaften aus, die für ein zuverlässiges optoelektronisches Systemdesign entscheidend sind.
Primärmaterial und physikalische Eigenschaften
- Materialzusammensetzung: > 99,6 % Aluminiumoxid (Al₂O₃)
- Dichte: 3,90 - 3,98 g/cm³
- Farbe: Weiß / Elfenbein
- Wasseraufnahme: 0 % (vollständig dicht)
- Biegefestigkeit (3-Punkt-Biegung): 350 - 450 MPa
- Druckfestigkeit: > 2500 MPa
- Härte (Vickers): > 1500 HV (≈ 9 Mohs)
- Bruchzähigkeit (K1C): ~ 4 MPa·m¹/²
Thermische Eigenschaften
- Wärmeleitfähigkeit: 25 - 30 W/(m·K) bei 25 °C
- Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE): 7,0 - 7,5 x 10⁻⁶/°C (25-300°C)
- Maximale Dauergebrauchstemperatur: 1600 °C
- Thermoschockbeständigkeit (ΔT): Ausgezeichnet (materialspezifisch, hoch)
- Spezifische Wärmekapazität: ~ 880 J/(kg·K)
Elektrische Eigenschaften
- Durchgangswiderstand: > 10¹⁴ Ω·cm bei 25 °C; > 10¹¹ Ω·cm bei 500°C
- Dielektrizitätskonstante (εr): 9,5–9,8 bei 1 MHz, 25 °C
- Tangens des dielektrischen Verlusts (tan δ): < 0,0002 bei 1 MHz
- Spannungsfestigkeit (Durchbruchspannung): > 15 kV/mm
Der Vorteil von 99,6 % Aluminiumoxid: Leistung vs. Reinheit
Eine Reinheit von 99,6 % bedeutet einen deutlichen Leistungssprung gegenüber Standard-Aluminiumoxid mit 96 %. Der reduzierte Gehalt an Verunreinigungen (hauptsächlich Kieselsäure und andere Oxide) führt zu:
- Höhere Wärmeleitfähigkeit: Effizienterer Phononentransport für bessere Wärmeableitung.
- Verbesserte mechanische Festigkeit: Weniger Korngrenzendefekte führen zu höherer Biege- und Druckfestigkeit.
- Überlegene elektrische Eigenschaften: Geringerer dielektrischer Verlust und höherer Volumenwiderstand, insbesondere bei erhöhten Temperaturen.
- Bessere Oberflächenbeschaffenheit: Möglichkeit, nach dem Polieren eine glattere, fehlerfreiere Oberfläche zu erzielen, was für die Verklebung entscheidend ist.
- Erhöhte chemische Reinheit: Reduziertes Kontaminationsrisiko in sensiblen Prozessen, wodurch es für die Verpackung fortschrittlicher Mikroelektronik geeignet ist.
Primäre Anwendungsszenarien
1. Hochleistungslaserdioden und diodengepumpte Festkörperlaser (DPSSL)
Die Kernanwendung. Wird als Montagesubstrat für Einzelemitter-Laserdioden, Diodenbarren und Stapel beim industriellen Schneiden/Schweißen, in der medizinischen Ästhetik, beim Faserlaserpumpen und in LiDAR-Systemen verwendet. Sein Wärmemanagement ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Strahlqualität und Leistungsstabilität.
2. Hochhelle LED- und Halbleiterbeleuchtung
Dient als Unterbau oder Gehäusebasis mit hoher Wärmeleitfähigkeit für Hochleistungs-LED-Chips in Automobilscheinwerfern, Projektoren und Industriebeleuchtungen. Es überträgt die Wärme effizient von der LED-Verbindung zum Kühlkörper und verhindert so Lichtverlust und Farbverschiebung.
3. HF- und Mikrowellen-Leistungselektronik
Wird als isolierendes Substrat für Mikrowellenkomponenten wie HF-Leistungstransistoren und -Verstärker verwendet. Aufgrund seiner hervorragenden dielektrischen Hochfrequenzeigenschaften und seiner guten Wärmeleitfähigkeit eignet es sich für Hochfrequenzmodule in der Telekommunikation und im Radar.
4. Fortschrittliche hybride Mikroelektronik- und Leistungsmodule
Dient als robuste Grundplatte für Dickschicht-Hybrid-Mikroschaltungen und Hybrid-Mikroschaltungen und bietet elektrische Isolierung und eine stabile Plattform für siebgedruckte Widerstände, Leiter und angebrachte KERAMIK-CHIPS in Luft- und Raumfahrt-, Medizin- und Industriesteuerungen.
5. Sensorverpackung und Hochtemperaturelektronik
Bietet eine stabile, isolierende Plattform für Sensorverpackungen , insbesondere für Hochtemperatur-Druck-, Temperatur- und Gassensoren. Seine chemische Inertheit und thermische Stabilität sind entscheidende Vorteile.
Integrations- und Montagerichtlinien für Laserdioden
Die richtige Integration ist der Schlüssel zur Entfaltung der vollen Leistung Ihrer Laserdiode und des Aluminiumoxidsubstrats. Befolgen Sie diese allgemeinen Schritte:
- Untergrundvorbereitung und Reinigung:
- Reinigen Sie das Substrat gründlich mit aufeinanderfolgenden Bädern aus Aceton, Isopropylalkohol (IPA) und entionisiertem Wasser in einem Ultraschallreiniger, um organische und partikuläre Verunreinigungen zu entfernen.
- Für höchste Zuverlässigkeit (z. B. bei hermetisch versiegelten Verpackungen) führen Sie eine Sauerstoffplasmareinigung durch, um eine perfekte Oberflächenenergie für die Verbindung zu erreichen.
- Metallisierung (falls erforderlich):
- Wenn direktes Löten oder Hartlöten erforderlich ist, muss die Substratoberfläche möglicherweise metallisiert werden. Puwei kann Substrate mit vorab aufgebrachten Dünnfilm- oder Dickfilm-Metallschichten (z. B. Ti/Pt/Au, Mo/Mn, gebrannt mit Ni/Au-Beschichtung) liefern.
- Auswahl der Die-Attach-Methode:
- Epoxidklebstoff: Verwenden Sie hochwärmeleitende, elektrisch isolierende oder leitfähige Epoxidharze. Sorgen Sie für eine gleichmäßige Abdeckung und eine minimale Klebefugendicke.
- Weichlot (z. B. In, SnPb, SnAgCu): Bietet gute thermische und elektrische Leitfähigkeit. Verwenden Sie für die Anwendung geeignetes Flussmittel und stellen Sie ein vollständiges Reflow-Löten sicher.
- Hartlot/eutektische Bindung (z. B. AuSn, AuSi): Bietet die höchste Wärmeleitfähigkeit und mechanische Festigkeit, die für Geräte mit höchster Leistung unerlässlich sind. Erfordert eine präzise Temperaturkontrolle und häufig eine Formiergasatmosphäre.
- Bonding-Prozess: Verwenden Sie einen Präzisions-Die-Bonder, um den Laserdiodenchip präzise ausgerichtet auf dem Substrat zu platzieren. Tragen Sie das ausgewählte Verbindungsmaterial auf und härten/löten Sie es entsprechend dem spezifischen Prozessprofil.
- Drahtbonden und Endmontage: Befestigen Sie elektrische Verbindungen von der Diode an den Substratpads oder externen Leitungen mithilfe von Gold- oder Aluminiumdrahtbonden.
- Thermische Schnittstelle zum Kühlkörper: Befestigen Sie das zusammengebaute Substrat mit Wärmeleitpaste, wärmeleitenden Pads oder einer Löt-/Lötschicht am Systemkühlkörper, um den niedrigsten Wärmewiderstand zu erzielen.
Anpassung und OEM/ODM-Dienste
Puwei ist darauf spezialisiert, Substrate aus 99,6 % Aluminiumoxid exakt an Ihre mechanischen, thermischen und elektrischen Anforderungen anzupassen.
Zu den Anpassungsparametern gehören:
- Abmessungen und Geometrie: Jede Größe, von Miniaturchips bis hin zu großen Tellern. Kundenspezifische Formen, Löcher, Schlitze und Kantenprofile werden mit engen Toleranzen bearbeitet (±0,01 mm erreichbar).
- Dicke: Von 0,1 mm (dünne Wafer) bis zu mehreren Millimetern.
- Oberflächenbeschaffenheit: Im gebrannten Zustand, geschliffen, geläppt oder poliert auf eine bestimmte Oberflächenrauheit (Ra). Polierte Oberflächen bis zu Ra < 0,05 μm für epitaktisches Wachstum oder ultraglatte Bondoberflächen.
- Metallisierung: Vollständige kundenspezifische Metallisierungsstrukturierung (Vorder-/Rückseite, Durchkontaktierungen) mithilfe von Dickschicht- (Siebdruck) oder Dünnschichtverfahren (Sputtern/Aufdampfen) mit verschiedenen Metallen (Au, Ag, Pt, Ni, Cu).
- Co-Firing- und Mehrschichtstrukturen: Fähigkeit zur Herstellung komplexer mehrschichtiger Al₂O₃-Substrate mit vergrabenen Leitern für fortschrittliche elektronische Verpackungen .
Herstellungsprozess und Qualitätssicherung
Unser Produktionsprozess ist darauf ausgelegt, höchste Reinheit, Dichte und Maßgenauigkeit zu gewährleisten.
- Rohstoffauswahl und Mahlen: Ultrafeines, hochreines (>99,6 %) Al₂O₃-Pulver wird ausgewählt und gemahlen, um eine gleichmäßige Partikelgrößenverteilung im Submikrometerbereich zu erreichen.
- Formen: Das Pulver wird mithilfe fortschrittlicher Techniken wie Foliengießen (für dünne, flache Substrate), Trockenpressen oder isostatischem Pressen in die gewünschte Form gebracht.
- Entbindern und Sintern: Der „grüne“ Teil durchläuft kontrollierte thermische Zyklen, um organische Bindemittel zu entfernen, gefolgt von einem Sintern bei hoher Temperatur (>1600 °C) in Luft, um >99 % der theoretischen Dichte zu erreichen.
- Präzisionsbearbeitung: Gesinterte Rohlinge werden mit Diamantschleifwerkzeugen auf Endmaß bearbeitet (CNC-Schleifen, Würfeln, Bohren). Durch diesen Schritt werden die erforderlichen engen Toleranzen und Oberflächengüten erreicht.
- Metallisierung (falls angegeben): Metallschichten werden mithilfe von Siebdruck (dicker Film) oder Vakuumabscheidung (dünner Film) aufgebracht und strukturiert, gefolgt von Fotolithographie und Ätzen.
- Endkontrolle und Tests:
- 100 % Sichtprüfung auf Mängel.
- Dimensionsüberprüfung mit optischen Komparatoren, KMGs und Laserscannern.
- Probenprüfung auf wichtige Materialeigenschaften (Dichte, Festigkeit) und elektrische Eigenschaften.
Zertifizierungen, Compliance und Zuverlässigkeit
Puwei ist bestrebt, Produkte zu liefern, die den höchsten Qualitäts- und Zuverlässigkeitsstandards für globale Märkte entsprechen.
- Qualitätsmanagementsystem: ISO 9001:2015 zertifiziert.
- Materialkonformität: Alle Materialien entsprechen den RoHS- und REACH-Richtlinien.
- Prozesskontrolle: Statistische Prozesskontrolle (SPC) für kritische Parameter implementiert, um die Konsistenz von Charge zu Charge sicherzustellen.
- Rückverfolgbarkeit: Vollständige Material- und Prozessrückverfolgbarkeit für jedes Produktionslos.
- Zuverlässigkeitsdaten: Auf Anfrage können wir anwendungsspezifische Zuverlässigkeitstests (Wärmewechsel, Hochtemperaturlagerung) anbieten oder unterstützen.
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