AMB-Keramik-Kupfersubstrate: Entwickelt für neue Energiedichte
Die kupferkaschierten Keramiksubstrate Active Metal Brazing (AMB) von Puwei stellen den Gipfel der hochzuverlässigen Verbindungstechnologie für die Leistungselektronik der nächsten Generation dar. Die AMB-Technologie wurde speziell für die extremen thermischen, mechanischen und elektrischen Anforderungen neuer Energieanwendungen entwickelt und schafft eine unzerbrechliche metallurgische Verbindung zwischen Kupfer und Keramik. Dieses Substrat ist der Grundstein für den Bau kompakter, effizienter und äußerst zuverlässiger Leistungsmodule in Elektrofahrzeugen (EVs), erneuerbaren Energien und Industrieantrieben und geht direkt auf die Kernherausforderungen Wärmeableitung, Leistungswechsel und Langzeithaltbarkeit in mikroelektronischen Hochleistungskomponenten ein.
Warum AMB die beste Wahl für anspruchsvolle neue Energieanwendungen ist
- Unübertroffene Bindungsstärke und Zuverlässigkeit (>80 MPa): Der aktive Metalllötprozess bildet eine chemisch-metallurgische Verbindung und eliminiert so praktisch das Risiko einer Kupferdelaminierung bei extremen Temperaturwechseln – ein entscheidender Vorteil gegenüber herkömmlichem DBC für stark vibrierende Automobil- und Industrieumgebungen.
- Überragende thermische und mechanische Leistung mit Si3N4: Siliziumnitrid (Si3N4) AMB bietet eine außergewöhnliche Kombination aus hoher Wärmeleitfähigkeit (>90 W/mK), hervorragender Biegefestigkeit und einem WAK, der dem von Siliziumkarbid (SiC) und anderen Halbleitern mit großer Bandlücke sehr nahe kommt, wodurch die thermomechanische Belastung in Leistungsgeräten drastisch reduziert wird.
- Höchste Leistungsdichte und Stromkapazität: Unterstützt dicke Kupferschichten (bis zu 0,8 mm Standard, 2,00 mm kundenspezifisch) und ermöglicht so eine extrem hohe Strombelastbarkeit (>500 A), was kompaktere Wechselrichter- und Konverterdesigns in Elektrofahrzeugen und Solarsystemen ermöglicht.
- Außergewöhnliche Lebensdauer bei thermischen Zyklen (>5.000 Zyklen): Bewährte Zuverlässigkeit bei starken Temperaturschwankungen (-55 °C bis 150 °C), die die Lebensdauer von Standardsubstraten bei weitem übertrifft, was sich direkt in einer verlängerten Produktgarantie und weniger Feldausfällen niederschlägt.
- Materialflexibilität für Designoptimierung: Wählen Sie zwischen AlN-AMB für maximale Wärmeleitung (bis zu 200 W/mK), Si3N4-AMB für höchste Festigkeit und Zuverlässigkeit oder Al2O3-AMB für kostengünstige Lösungen – alles innerhalb derselben robusten AMB-Verbindungsarchitektur.
Technische Spezifikationen
Unsere AMB-Substrate werden mit Präzision entwickelt, um konsistente Hochleistungseigenschaften zu bieten, die für das Design Ihres Leistungsmoduls entscheidend sind.
Verfügbare Materialsysteme und Konfigurationen
- Keramikoptionen:
- Aluminiumnitrid (AlN): Ultrahohe Wärmeleitfähigkeit (180–200 W/mK).
- Siliziumnitrid (Si3N4): Beste mechanische Festigkeit, Bruchzähigkeit und ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit (>90 W/mK) mit perfekter WAK-Übereinstimmung für SiC.
- Aluminiumoxid (Al2O3 – 96 % und 99 %): Kostengünstig und zuverlässig mit guter elektrischer Isolierung.
- Kupferschicht: Sauerstofffreies Kupfer mit hoher Leitfähigkeit (OFHC), Dicke von 0,3 mm bis 0,8 mm (Standard), anpassbar bis zu 2,00 mm.
- Keramikstärke: 0,25 mm, 0,32 mm, 0,38 mm, 0,63 mm, 1,0 mm (kundenspezifisch erhältlich).
- Plattengröße: Standard bis 240 mm x 280 mm. Größere Formate für spezifische Anwendungen auf Anfrage.
Wichtige Leistungsparameter
- Schälfestigkeit (Kupfer bis Keramik): > 80 MPa (typischerweise 100–150 MPa).
- Wärmeleitfähigkeit: AlN: 180-200 W/mK | Si3N4: >90 W/mK | Al2O3 (99 %): 24–28 W/mK.
- Spannungsfestigkeit: > 20 kV/mm.
- Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE): Si3N4: ~3,2 ppm/K | AlN: ~4,5 ppm/K | Al2O3: ~6,8 ppm/K.
- Betriebstemperaturbereich: -55 °C bis +400 °C (kontinuierlich).
- Temperaturwechselleistung: > 5.000 Zyklen (-55 °C bis +150 °C) gemäß Industriestandardtests.
AMB-Technologie: Die robuste Klebelösung
Aktives Metalllöten (AMB) ist ein Vakuumlötverfahren, bei dem eine spezielle Lotpaste verwendet wird, die aktive Elemente wie Titan (Ti) oder Zirkonium (Zr) enthält. Beim Hochtemperaturbrennen reagieren diese aktiven Elemente mit der Keramikoberfläche und erzeugen eine starke chemische Bindung, während die Lotlegierung die Kupferfolie benetzt und sich mit ihr verbindet. Dies führt zu einer dichten, hohlraumfreien und außergewöhnlich starken Grenzfläche.
Warum AMB DBC und DPC übertrifft
- im Vergleich zu Direct Bonded Copper (DBC): AMB bietet eine deutlich höhere Schälfestigkeit und eine bessere Beständigkeit gegen thermische Ermüdung und Delaminierung, insbesondere bei anspruchsvollen Keramiken wie Si3N4. Ideal für Anwendungen mit starker mechanischer Beanspruchung oder extremen Temperaturschwankungen.
- im Vergleich zu direkt plattiertem Kupfer (DPC): AMB unterstützt viel dickere Kupferschichten (für höhere Ströme) und bietet eine überlegene thermische Leistung aufgrund des Fehlens einer plattierten Saatschichtschnittstelle. Es ist die bevorzugte Wahl für Hochleistungs- und Hochstrommodule gegenüber Hochfrequenzmodulen, bei denen es auf feine Eigenschaften ankommt.
- im Vergleich zur herkömmlichen Dickschichtmetallisierung: AMB bietet eine vollständig dichte, lötbare Kupferoberfläche, die sich im Gegensatz zu gedruckten Dickschichtleitern, die in einigen Hybrid-Mikroschaltkreisen verwendet werden, ideal für die Hochleistungs-Die-Befestigung und das Bonden schwerer Drähte eignet.
Primäre Anwendungsszenarien in New Energy & Beyond
1. Antriebsstränge für Elektro- und Hybridfahrzeuge (EV/HEV).
Das Substrat der Wahl für Hauptantriebswechselrichter, Bordladegeräte (OBC) und DC/DC-Wandler. Si3N4-AMB ist besonders wichtig für 800-V+-Architekturen mit SiC-MOSFETs/IGBTs, wo seine CTE-Anpassung und hohe Zuverlässigkeit unter aggressiven Fahrzyklen von entscheidender Bedeutung sind. Es dient in diesen Leistungsgeräten als Kernisolationselement und Wärmeverteiler.
2. Stromumwandlung erneuerbarer Energien
Zentral- bis Solarwechselrichter (sowohl String- als auch Zentralwechselrichter), Windturbinenwandler und Energiespeichersystem-Wechselrichter (ESS). AMB-Substrate bewältigen hohe Leistungsdichten und Umweltbelastungen im Freien und verbessern die Effizienz und Lebensdauer von Leistungsstacks auf der Basis integrierter Schaltkreise .
3. Industrielle Motorantriebe und USV-Systeme
Wird in Hochleistungs-Wechselstromantrieben, Servoantrieben und unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) verwendet, bei denen Zuverlässigkeit und kontinuierlicher Betrieb von entscheidender Bedeutung sind. Die robuste Konstruktion widersteht industriellem elektrischem Rauschen und thermischer Belastung.
4. Schienenverkehr und Schiffselektrifizierung
Unentbehrlich für Traktionsumrichter und Hilfsaggregate in Zügen, Straßenbahnen und Schiffen. Die außergewöhnliche Temperaturwechsel- und Vibrationsbeständigkeit erfüllt die strengen Anforderungen der Transportnormen.
5. Energiesysteme für Luft- und Raumfahrt und Verteidigung
Suche nach Anwendungen in der Stromverteilung von Elektroflugzeugen (MEA) und der Elektrifizierung von Militärfahrzeugen, bei denen Gewicht, Leistungsdichte und extreme Umweltzuverlässigkeit von größter Bedeutung sind.
Anleitung zu Integration & Design for Manufacturing (DFM).
Die erfolgreiche Integration von AMB-Substraten erfordert eine sorgfältige Planung. Befolgen Sie diese Roadmap, um optimale Ergebnisse zu erzielen.
- Materialauswahl: Wählen Sie die Keramik basierend auf thermischen, mechanischen und Kostenzielen aus. Nutzen Sie unser Know-how: Si3N4 für höchste Zuverlässigkeit mit SiC , AlN für maximalen Wärmefluss , Al2O3 für kostensensible Anwendungen .
- Design & Layout (mit Puwei-Unterstützung): Stellen Sie Ihr Schaltungslayout bereit. Wir beraten Sie zu herstellbaren Leiterbahnbreiten, Abständen und Kupferausgleich, um Verzug während des Hochtemperatur-Lötprozesses zu minimieren. Wir kümmern uns um die Präzisionsätzung.
- Untergrundvorbereitung und -inspektion: Überprüfen Sie den Untergrund nach Erhalt auf optische Mängel. Bei Bedarf mit handelsüblichen Lösungsmitteln (IPA) reinigen. Für hochzuverlässige Baugruppen wird eine Plasmareinigung empfohlen, um eine perfekte Benetzbarkeit für die Löt- oder Epoxidharz-Chipbefestigung sicherzustellen.
- Komponentenmontage:
- Die-Befestigung: Lot (SnAgCu, hoher Pb-Gehalt) oder Silbersintern werden für Power-Dies bevorzugt. Ideal ist die flache, lötbare Kupferoberfläche.
- Drahtbonden: Dicke Aluminium- oder Kupferdrähte können direkt an die Kupferleiterbahnen gebondet werden.
- Sammelschienen-/Klemmenbefestigung: An die dafür vorgesehenen Hochstrom-Pads löten oder anschrauben.
- Thermische Schnittstelle und Gehäuse: Befestigen Sie die Substratbaugruppe mit Wärmeleitpaste, Gap-Pads oder Phasenwechselmaterialien am Kühlkörper. Auf gleichmäßigen Druck achten. Das Substrat kann in verschiedene Modulgehäuse (Transferform, Epoxidgel, Hartschalenkoffer) integriert werden.
- Prüfung und Validierung: Führen Sie standardmäßige elektrische Tests (HiPot, Isolationswiderstand) und thermische Charakterisierung (Rth-jc) durch. Puwei kann Substrate liefern, die vorab auf kritische Parameter getestet wurden.
Anpassung und umfassende OEM/ODM-Services
Jedes Leistungsmodul ist einzigartig. Puwei bietet umfassende Co-Engineering-Unterstützung, um das AMB-Substrat genau an Ihre Systemanforderungen anzupassen.
Unsere Anpassungsmöglichkeiten umfassen:
- Vollständig kundenspezifische Größen und Formen: Nicht standardmäßige Abmessungen, Ausschnitte und Konturen werden nach dem Hartlöten bearbeitet.
- Komplexes Mehrschicht- und Musterdesign: Ein-/doppelseitige, komplizierte Schaltkreismuster mit feinen Merkmalen und mehrstufiger Kupferdicke auf demselben Substrat.
- Spezielle Oberflächenveredelungen: Immersionszinn (ImSn), Immersionssilber (ImAg), elektrolytisches Ni/Au oder ENEPIG auf den Kupferleiterbahnen für spezielle Lötbarkeits- oder Drahtbondanforderungen.
- Hybridkonstruktionen: Integration verschiedener Keramiktypen oder Kombination mit anderen Puwei-Produkten wie Aluminiumoxid-Keramiksubstrat-Isolatoren (Al2O3) oder KERAMIKKOMPONENTEN in einer einzigen Baugruppe.
- Rapid Prototyping und Volumenskalierung: Von schnellen Prototypenmustern bis hin zur Großserienfertigung mit gleichbleibender Qualität.
Fortschrittlicher Herstellungsprozess und Qualitätssicherung
Unser hochmoderner Herstellungsprozess stellt sicher, dass jedes AMB-Substrat den höchsten Qualitäts- und Leistungsstandards entspricht.
- Vorbereitung des Keramikrohlings: Hochreines Keramikpulver wird geformt und zu präzisen Rohlingen mit kontrollierter Mikrostruktur gesintert.
- Oberflächenaktivierung und Pastendruck: Die Keramikoberfläche wird vorbereitet und die aktive Metalllotpaste wird im präzisen Siebdruck aufgetragen.
- Kupferfolienlaminierung und Vakuumlöten: Über die Paste wird sauerstofffreie Kupferfolie gelegt. Der Stapel wird bei ca. 800 °C vakuumgelötet, wobei die aktiven Elemente diffundieren und eine dauerhafte Verbindung herstellen.
- Bearbeitung nach dem Hartlöten: Die geklebte Baugruppe wird gereinigt und kann einer Wärmebehandlung unterzogen werden, um die Verbindungsschnittstelle zu optimieren.
- Präzisionsätzung: Fotolithographie und chemisches Ätzen definieren das spezifische Schaltkreismuster des Kunden auf der Kupferschicht.
- Endbearbeitung und Beschichtung: Die Substrate werden auf die endgültige Größe zugeschnitten, die Kanten werden geglättet und bei Bedarf wird eine Oberflächenveredelung (Ni/Au usw.) aufgetragen.
- Strenge 100-prozentige Inspektion und Prüfung: Jedes Substrat wird einer visuellen (AOI), Dimensions- und elektrischen Prüfung (HiPot) unterzogen. An Probenchargen werden Schälfestigkeit, Temperaturwechsel und Mikroschliffanalysen durchgeführt.
Zertifizierungen, Compliance und globale Standards
Qualität und Zuverlässigkeit sind in unseren Prozess integriert und entsprechen den strengen Anforderungen globaler Industrien.
- Qualitätsmanagementsystem: ISO 9001:2015 zertifiziert.
- Material- und Umweltkonformität: Vollständig konform mit RoHS und REACH. Halogenfreie Optionen verfügbar.
- Automotive Alignment: Unsere Prozesse und Qualitätskontrollen werden im Einklang mit den Kernprinzipien der IATF 16949 entwickelt, um die Automobillieferkette zu unterstützen.
- Zuverlässigkeits- und Qualifikationstests: Wir unterstützen die Kundenqualifizierung mit Daten aus Standardtests (Thermoschock, Temperaturwechsel, HAST, Power Cycling) und können kundenspezifische Tests gemäß Ihren Spezifikationen durchführen.
- Rückverfolgbarkeit: Vollständige Material- und Prozessrückverfolgbarkeit für jede Produktionscharge.
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