Direct Bonded Copper (DBC)/y Active Metal Brazing (AMB): definición, alcance y a quién va dirigida esta guía

La electrónica de alta potencia exige sustratos que hagan más que simplemente enrutar señales; deben sobrevivir a un estrés térmico extremo y disipar grandes cantidades de calor. Aquí es donde la unión de cobre cerámico DBC/AMB se convierte en la elección tecnológica crítica. A diferencia de las PCB FR4 estándar o incluso las PCB con núcleo metálico, las tecnologías Direct Bonded Copper (DBC) y Active Metal Brazing (AMB) crean una interfaz robusta entre conductores de cobre gruesos y aislantes cerámicos (óxido de aluminio, nitruro de aluminio o nitruro de silicio). Esta unión determina la fiabilidad de los módulos de potencia en vehículos eléctricos, tracción ferroviaria e inversores de energía renovable.

Este manual está diseñado para ingenieros de electrónica de potencia, gerentes de NPI y líderes de adquisiciones que necesitan obtener sustratos cerámicos sin comprometer la fiabilidad. Va más allá de las hojas de datos básicas para cubrir las realidades prácticas de la fabricación: cómo definir especificaciones que prevengan fallos en el campo, cómo validar la calidad de la unión y cómo auditar la capacidad de un proveedor.

En APTPCB (APTPCB PCB Factory), a menudo vemos proyectos retrasados porque las especificaciones iniciales para la unión de cobre no tuvieron en cuenta los requisitos específicos de ciclaje térmico de la aplicación final. Esta guía tiene como objetivo cerrar esa brecha. Proporciona un enfoque estructurado para seleccionar entre DBC y AMB, definir criterios de aceptación y asegurar que su socio de fabricación pueda ofrecer una calidad constante a escala.

Direct Bonded Copper (DBC)/y Active Metal Brazing (AMB) (y cuándo es mejor un enfoque estándar)

Comprender el punto de transición de las soluciones térmicas estándar a la unión cerámica es esencial para el control de costos. La unión de cobre cerámico DBC/AMB no es un reemplazo para todas las placas de circuito; es una solución especializada para aplicaciones de alto voltaje y alta densidad térmica.

Debe hacer la transición a DBC o AMB cuando:

• El aislamiento de voltaje es crítico: Su aplicación requiere voltajes de aislamiento que superen los 3kV–5kV, que las capas dieléctricas estándar en IMS (Insulated Metal Substrate) no pueden mantener de manera confiable durante largos períodos.
• Los requisitos de conductividad térmica son altos: Necesita una conductividad térmica que oscile entre 24 W/m·K (Alúmina) y más de 170 W/m·K (Nitruro de Aluminio). Los dieléctricos IMS estándar suelen alcanzar un máximo de 3–8 W/m·K.
• Se requiere la coincidencia del CTE: Está montando chips desnudos (IGBT, MOSFET) directamente sobre el sustrato. El Coeficiente de Expansión Térmica (CTE) de la cerámica (4–7 ppm/°C) coincide estrechamente con el del Silicio y el Carburo de Silicio (SiC), lo que reduce el estrés en la unión del chip.
• La densidad de corriente es extrema: Necesita cobre muy grueso (300µm a 800µm+) para transportar cientos de amperios sin una caída de voltaje excesiva o calentamiento.

Por el contrario, quédese con IMS con núcleo de aluminio o cobre o FR4 de cobre pesado si:

• Los componentes están encapsulados (por ejemplo, TO-247) en lugar de ser chips desnudos.
• La carga térmica es manejable con refrigeración activa y vías térmicas.
• El costo es el principal impulsor y los requisitos de confiabilidad no exigen un rendimiento a nivel cerámico.
• El entorno mecánico implica altos choques y vibraciones donde las cerámicas frágiles (específicamente Alúmina DBC) podrían fracturarse sin una carcasa especializada.

Direct Bonded Copper (DBC)/y Active Metal Brazing (AMB) (materiales, apilamiento, tolerancias)

Definir las especificaciones correctas de antemano previene costosos órdenes de cambio de ingeniería (ECOs). Al especificar la unión de cobre cerámico DBC/AMB, debe definir la interacción entre la base cerámica, la interfaz de unión y la lámina de cobre.

Parámetros clave de especificación:

• Tipo de material cerámico:
  • Al2O3 (96% Alúmina): Estándar para DBC. Bajo costo, conductividad térmica moderada (~24 W/m·K).
  • AlN (Nitruro de Aluminio): Alto rendimiento. Excelente conductividad térmica (~170 W/m·K), coincidencia de CTE cercana a Si.
  • Si3N4 (Nitruro de Silicio): El mejor para AMB. Extremadamente resistente mecánicamente, buena conductividad térmica (~90 W/m·K), ideal para automoción.
• Espesor de la cerámica: Los espesores estándar son 0,25 mm, 0,32 mm, 0,38 mm, 0,635 mm y 1,0 mm. Una cerámica más gruesa ofrece un mejor aislamiento pero una mayor resistencia térmica.
• Espesor del cobre: Típicamente varía de 127 µm (5 oz) a 800 µm (23 oz). Ambos lados suelen requerir el mismo espesor para evitar el alabeo (camber).
• Tecnología de unión:
  • DBC: El cobre se une mediante una fusión eutéctica a ~1065°C. Requiere oxígeno en el cobre.
• AMB: El cobre se suelda utilizando metales activos (Ti, Zr, Ag) a ~800°C–900°C. Crea un enlace químico con la cerámica.
• Resistencia al pelado:
  • DBC: Típicamente > 5 N/mm.
  • AMB: > 10–15 N/mm (significativamente más fuerte).
• Acabado superficial:
  • Níquel Químico Oro por Inmersión (ENIG): Común para soldadura.
  • Níquel Químico Paladio Químico Oro por Inmersión (ENEPIG): Para la fiabilidad del wire bonding.
  • Compatible con sinterización de Ag: Cobre desnudo con OSP o chapado de Ag para la fijación de troqueles a alta temperatura.
• Tolerancias de grabado: Debido al cobre grueso, los factores de grabado son significativos. El espaciado de los huecos generalmente requiere un mínimo de 0,3 mm a 0,5 mm dependiendo del grosor del cobre.
• Alabeo / Planitud: Crítico para la fijación del disipador de calor. La especificación debe ser < 0,3 %–0,5 % de la longitud diagonal.
• Contenido de huecos: La interfaz de unión debe estar casi libre de huecos para evitar puntos calientes. Especificación: < 1–2 % del área total de huecos, sin ningún hueco individual > 0,5 mm de diámetro en áreas activas.
• Capacidad de ciclaje térmico: Definir el número de ciclos (p. ej., -40°C a +150°C) que la unión debe soportar sin delaminación.
• Descarga parcial (PD): Especificar la tensión de inicio de la PD si la aplicación es de alto voltaje (>1kV).
• Trazabilidad: El marcado láser en unidades individuales para el seguimiento de lotes es estándar en la automoción.

Direct Bonded Copper (DBC)/y Active Metal Brazing (AMB) (causas raíz y prevención)

La fabricación de sustratos cerámicos implica altas temperaturas y materiales frágiles. Comprender los riesgos asociados con la unión de cobre cerámico DBC/AMB le permite implementar mejores controles de calidad.

Riesgo 1: Vacíos de interfaz (precursor de delaminación)

• Causa raíz: Gas atrapado durante el proceso de fusión eutéctica (DBC) o soldadura fuerte (AMB), o limpieza deficiente de la superficie de la cerámica.
• Detección: La microscopía acústica de barrido (C-SAM) es la única forma no destructiva de visualizar esto.
• Prevención: Procesos de unión al vacío y entornos de sala limpia estrictos para la preparación de materiales.

Riesgo 2: Agrietamiento de la cerámica (fractura concoidea)

• Causa raíz: Choque térmico durante el enfriamiento (desajuste del CTE entre Cu y cerámica) o estrés mecánico durante la singulación (corte con sierra/láser).
• Detección: Pruebas de aislamiento eléctrico (Hi-Pot) e inspección visual con retroiluminación.
• Prevención: Perfiles de enfriamiento controlados en el horno; uso de AMB (Si3N4) para aplicaciones mecánicamente exigentes; hoyuelos en el diseño de cobre para aliviar el estrés.

Riesgo 3: Socavado por grabado de cobre

• Causa raíz: El cobre grueso requiere largos tiempos de grabado, lo que lleva a perfiles de traza trapezoidales en lugar de rectangulares.
• Detección: Análisis de sección transversal (microsección).
• Prevención: Compensación de diseño (DFM) aplicada al diseño; control estricto de la química del grabador.

Riesgo 4: Oxidación superficial antes del chapado

• Root Cause: La superficie de cobre reacciona con el aire después del grabado pero antes de la aplicación del acabado superficial.
• Detection: Mala soldabilidad o desprendimiento de las uniones de hilo (wire bond lift-offs).
• Prevention: Minimizar los tiempos de espera entre procesos; micrograbado antes del chapado.

Risk 5: Alabeo (Camber)

• Root Cause: El diseño asimétrico del cobre en la parte superior frente a la inferior provoca una curvatura a medida que el sustrato se enfría.
• Detection: Perfilometría láser o calibres pasa/no pasa.
• Prevention: Regla de diseño estricta: el espesor y la densidad del área de cobre superior e inferior deben estar equilibrados.

Risk 6: Migración de plata (específico de AMB)

• Root Cause: El material de soldadura fuerte a menudo contiene plata. Bajo alto voltaje y humedad, la plata puede migrar, causando cortocircuitos.
• Detection: Pruebas de polarización de humedad y temperatura (THB).
• Prevention: Grabado adecuado del desbordamiento del material de soldadura fuerte entre las pistas; aplicación de un recubrimiento conforme o encapsulación.

Risk 7: Fallo de adhesión de la máscara de soldadura

• Root Cause: Las superficies cerámicas son extremadamente lisas, lo que dificulta la adhesión de las máscaras de soldadura poliméricas.
• Detection: Prueba de cinta (adhesión por cuadrícula).
• Prevention: Rugosidad física o química de la superficie cerámica en áreas sin cobre; uso de máscaras de soldadura especializadas compatibles con cerámica.

Risk 8: Fallo de la unión de hilo

• Root Cause: La rugosidad superficial del chapado es demasiado alta, o el cobre subyacente es demasiado blando/duro.
• Detection: Pruebas de tracción y cizallamiento del hilo.
• Prevención: Especificar el acabado superficial correcto para PCB cerámicos (por ejemplo, ENEPIG) y controlar la estructura del grano.

Direct Bonded Copper (DBC)/y Active Metal Brazing (AMB) (pruebas y criterios de aprobación)

No puede confiar únicamente en los criterios de aceptación estándar de PCB (IPC-A-600) para sustratos cerámicos. Debe validar específicamente la integridad de la unión de cobre cerámico DBC/AMB.

Plan de validación:

1. Microscopía acústica de barrido (C-SAM):

   • Objetivo: Detectar vacíos internos entre el cobre y la cerámica.
   • Método: Escaneo ultrasónico del 100% de los paneles (o muestreo AQL).
   • Criterios de aceptación: Área total de vacíos < 2%; ningún vacío individual > 0,5 mm debajo de las ubicaciones de los troqueles de potencia.

2. Ciclos de choque térmico:

   • Objetivo: Verificar la fiabilidad de la unión bajo estrés.
   • Método: Ciclo entre -40°C y +150°C (o +175°C para aplicaciones de SiC).
   • Criterios de aceptación: Sin delaminación después de 1000 ciclos (AMB) o 100-300 ciclos (DBC, según la especificación).

3. Prueba de resistencia al pelado:

   • Objetivo: Medir la adhesión mecánica del cobre.
   • Método: Tracción vertical de una tira de cobre.
   • Criterios de aceptación: DBC > 5 N/mm; AMB > 12 N/mm.

4. Tensión de ruptura dieléctrica (Aislamiento):

   • Objetivo: Asegurar la integridad de la cerámica.
   • Método: Aplicar voltaje AC/DC a través de la cerámica (de Cu superior a Cu inferior).

• Criterios de aceptación: Corriente de fuga < límite especificado (ej. 1mA) a tensión nominal + margen (ej. 5kV).

5. Verificación dimensional:

   • Objetivo: Comprobar la precisión del grabado y la planitud.
   • Método: CMM o medición óptica.
   • Criterios de aceptación: Ancho de traza ±10% (o ±0,1mm para Cu grueso); Planitud < 0,4%.

6. Soldabilidad y capacidad de unión por hilo:

   • Objetivo: Asegurar la preparación para el ensamblaje.
   • Método: Prueba de inmersión y observación / Prueba de tracción de hilo.
   • Criterios de aceptación: >95% de humectación; Fuerza de tracción del hilo > especificación mínima (ej. 10g para hilo de 1 mil) con fallo en el hilo, no desprendimiento.

7. Almacenamiento a alta temperatura (HTS):

   • Objetivo: Comprobar problemas de oxidación o difusión.
   • Método: Almacenar a 150°C–200°C durante 1000 horas.
   • Criterios de aceptación: Sin decoloración ni cambio en la resistencia eléctrica.

8. Prueba de descarga parcial:

   • Objetivo: Detectar micro-vacíos en la cerámica que se ionizan bajo alto voltaje.
   • Método: Norma IEC 60270.
   • Criterios de aceptación: < 10 pC a tensión de funcionamiento.

Direct Bonded Copper (DBC)/y Active Metal Brazing (AMB) (RFQ, auditoría, trazabilidad)

Al evaluar a un proveedor como APTPCB, utilice esta lista de verificación para asegurarse de que tenga las capacidades específicas para sustratos cerámicos.

Grupo 1: Entradas de RFQ (Lo que debe proporcionar)

• Archivos Gerber con capas de cobre claras y máscara de soldadura.
• Especificación del material: Al2O3, AlN o Si3N4.
• Preferencia del tipo de unión: DBC o AMB (o "Proveedor a recomendar").
• Requisitos de espesor y tolerancia del cobre.
• Requisitos de acabado superficial (ENIG, Ag, Cobre desnudo).
• Especificaciones de planitud/arqueo.
• Requisitos de prueba (C-SAM, Hi-Pot).
• Proyecciones de volumen (afecta la elección de herramientas).

Grupo 2: Prueba de capacidad (Qué buscar)

• ¿Tienen hornos de soldadura/cocción internos? (La subcontratación de este paso añade riesgo).
• ¿Pueden manejar espesores de cobre > 500µm?
• ¿Tienen equipo C-SAM en el sitio?
• ¿Experiencia con el acabado superficial para PCB cerámicos específicamente para unión por hilo?
• ¿Capacidad para cortar con láser o rayar cerámica para la singulación?
• Ejemplos de trabajos anteriores en los sectores automotriz o de energía industrial.

Grupo 3: Sistema de calidad y trazabilidad

• ISO 9001 es obligatorio; IATF 16949 es preferido para automoción.
• ¿Realizan pruebas de aislamiento eléctrico al 100%?
• ¿Existe un sistema para rastrear lotes de cerámica hasta lotes terminados?
• ¿Cómo controlan el espesor de la pasta de soldadura (para AMB)?
• ¿Tienen una sala limpia para el proceso de laminado/unión?

Grupo 4: Control de cambios y entrega

• Política sobre el cambio de proveedores de materia prima cerámica (¿se requiere PCN?).
• Capacidad de embalaje: Embalaje al vacío para evitar la oxidación del cobre grueso.
• Acuerdos de stock de seguridad para materiales cerámicos de largo plazo de entrega.
• Procedimiento RMA para problemas de delaminación encontrados en el ensamblaje.

Direct Bonded Copper (DBC)/y Active Metal Brazing (AMB) (compensaciones y reglas de decisión)

Seleccionar la tecnología adecuada implica equilibrar el rendimiento térmico, la fiabilidad mecánica y el costo. Aquí están las reglas de decisión para navegar por las compensaciones.

Compensación 1: Fiabilidad del ciclo térmico (DBC vs. AMB)

• Regla: Si su aplicación implica cambios de temperatura frecuentes y severos (por ejemplo, inversores de tracción de vehículos eléctricos, sistemas start-stop), elija AMB (nitruro de silicio). La unión soldada es mecánicamente más fuerte y el Si3N4 es más resistente.
• Regla: Si la temperatura es relativamente estable o el ciclo es suave (por ejemplo, fuentes de alimentación industriales, iluminación LED), elija DBC (alúmina). Es rentable y suficiente para la gestión térmica en estado estacionario.

Compensación 2: Conductividad térmica vs. Resistencia mecánica

• Regla: Si necesita la máxima disipación de calor (por ejemplo, diodos láser de alta densidad), elija DBC o AMB sobre nitruro de aluminio (AlN). Tenga en cuenta que el AlN es quebradizo.
• Regla: Si necesita un equilibrio entre alta disipación de calor y robustez mecánica (para resistir el agrietamiento durante el ensamblaje o la vibración), elija AMB sobre nitruro de silicio (Si3N4). Conduce el calor mejor que la alúmina y es mucho más fuerte que el AlN.

Compensación 3: Costo vs. Rendimiento

• Regla: Si el presupuesto es la principal restricción y el voltaje es < 1kV, considere IMS con núcleo de aluminio vs. cobre.
• Regla: Si necesita aislamiento cerámico pero el presupuesto es ajustado, el DBC de alúmina es la solución cerámica de nivel de entrada.
• Regla: El AMB suele costar 2 o 3 veces más que el DBC debido a las costosas pastas de metal activo y los procesos de soldadura fuerte al vacío. Úselo solo cuando la fiabilidad del DBC sea insuficiente.

Compensación 4: Espesor del cobre

• Regla: Si necesita cobre de > 500 µm para corrientes masivas, el AMB a menudo se prefiere ya que el proceso de soldadura fuerte maneja mejor la tensión de desajuste del CTE del cobre grueso que la unión eutéctica del DBC.

Compensación 5: Complejidad del diseño

• Regla: Si su diseño requiere trazas de paso fino (< 0,3 mm de espacio), los sustratos cerámicos son un desafío debido al grabado del cobre grueso. Es posible que deba relajar las reglas de diseño o pasar a un proceso cerámico de película delgada (una tecnología completamente diferente).

Direct Bonded Copper (DBC)/y Active Metal Brazing (AMB) (Compensación de diseño (DFM), materiales, pruebas)

P: ¿Cuáles son los principales factores de costo para la unión de cobre cerámico DBC/AMB?

• Respuesta: El material cerámico en sí (Si3N4 es caro, Al2O3 es barato) y el espesor del cobre.
• Factores:
  • Tipo de cerámica (Si3N4 > AlN > Al2O3).
  • Espesor del cobre (más grueso = mayor tiempo de grabado + más material).
  • Rendimiento (los rendimientos de AMB son más bajos que los de DBC).
  • Espesor del chapado de oro (para unión por hilo).

P: ¿Cuál es el tiempo de entrega típico para los prototipos de unión de cobre cerámico DBC/AMB?

• Respuesta: El tiempo de entrega estándar es de 3 a 5 semanas.
• Detalles:
• La adquisición de material cerámico puede tardar 2 semanas si no está en stock.
• El diseño de la tarjeta maestra y el utillaje tardan 1 semana.
• Los servicios urgentes son más difíciles que para FR4 debido a la programación del horno.

P: ¿Qué archivos DFM se requieren para la fabricación de uniones de cobre cerámicas DBC/AMB?

• Respuesta: Se aceptan los Gerbers estándar (RS-274X), pero debe incluir un dibujo mecánico que especifique la pila de capas.
• Crucial:
  • Especifique el "pullback" (distancia del borde del cobre al borde de la cerámica) – normalmente mín. 0,5 mm.
  • Defina la compensación de grabado si está realizando el diseño, o pida al proveedor que la aplique.

P: ¿En qué se diferencia la prueba de unión de cobre cerámico DBC/AMB de la de FR4?

• Respuesta: La continuidad eléctrica es similar, pero las pruebas de integridad estructural son únicas.
• Diferencias:
  • C-SAM es obligatorio para la cerámica para comprobar si hay huecos.
  • La prueba de descarga parcial es común para alta tensión.
  • La medición de la deformación es más crítica debido al montaje del disipador de calor.

P: ¿Puedo usar acabados superficiales estándar como HASL en cerámica DBC/AMB?

• Respuesta: No. HASL no es adecuado debido a los problemas de choque térmico y planitud.
• Opciones:
  • ENIG: El más común para soldadura.
  • ENEPIG: El mejor para unión por hilo.
  • Chapado de Ag (Plata): Para sinterización.
  • Cu desnudo (OSP): Para procesos de sinterización específicos.

P: ¿Cuáles son los criterios de aceptación para los huecos en la unión de cobre cerámico DBC/AMB?

• Respuesta: Depende de la clase de producto, pero generalmente es estricto.
• Criterios:
  • < 1% a 2% del área total de vacío bajo la almohadilla del chip.
  • Sin vacíos que conecten los bordes (ruptura de aislamiento).
  • Sin vacíos > 0,5 mm de diámetro en rutas térmicas críticas.

P: ¿Por qué "IMS de núcleo de aluminio vs cobre" no es suficiente para mi aplicación de alto voltaje?

• Respuesta: IMS se basa en una fina capa dieléctrica de polímero (típicamente 75µm–150µm) para el aislamiento.
• Razón:
  • Los dieléctricos de polímero pueden degradarse con el tiempo bajo alto voltaje (descarga parcial).
  • Las cerámicas (0,38mm+) proporcionan un aislamiento físico inherente y no degradable, capaz de soportar >5kV fácilmente.

P: ¿Cómo especifico el acabado superficial para PCB cerámicas para asegurar la fiabilidad de la unión de hilos?

• Respuesta: Especifique ENEPIG u oro blando grueso.
• Especificación:
  • Níquel: 3–5µm.
  • Paladio (si ENEPIG): 0,05–0,15µm.
  • Oro: > 0,1µm (para hilo de Au) u oro fino para hilo de Al.
  • Rugosidad: Ra < 0,3µm a menudo se requiere para la unión de hilos finos.

Direct Bonded Copper (DBC)/y Active Metal Brazing (AMB) cerámico (páginas y herramientas relacionadas)

• Capacidades de PCB cerámicas – Desglose detallado de nuestros límites de fabricación de alúmina y nitruro de aluminio.
• Soluciones de PCB de alta conductividad térmica – Explore cómo la cerámica se compara con otras tecnologías de gestión térmica como el cobre pesado y el núcleo metálico.
• PCB de núcleo metálico (IMS) – Comprenda la alternativa: cuándo optar por sustratos de base de aluminio rentables.
• Directrices DFM – Reglas de diseño esenciales para asegurar que su diseño cerámico sea fabricable.
• PCB de cobre pesado – Aprenda sobre las trazas de alta corriente en sustratos estándar si la cerámica es excesiva para su proyecto.

Direct Bonded Copper (DBC)/y Active Metal Brazing (AMB) (revisión Compensación de diseño (DFM) + precios)

¿Listo para validar su diseño? APTPCB proporciona una revisión DFM exhaustiva para identificar riesgos térmicos y mecánicos antes de que se comprometa con el utillaje.

Para obtener una cotización precisa y una revisión DFM, envíe:

1. Archivos Gerber: Incluyendo capas de cobre, máscara de soldadura y contorno.
2. Dibujo de apilamiento: Especifique el tipo de cerámica (Al2O3/AlN/Si3N4), el grosor de la cerámica y el grosor del cobre.
3. Acabado superficial: Por ejemplo, ENIG, ENEPIG o Ag.
4. Volumen: Cantidad de prototipos frente a objetivos de producción.
5. Requisitos especiales: Informes C-SAM, aislamiento de voltaje específico o especificaciones de unión de cables.

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Direct Bonded Copper (DBC)/y Active Metal Brazing (AMB)

La unión de cobre cerámica DBC/AMB es la solución definitiva para la electrónica de potencia que requiere una conductividad térmica sin compromisos y un aislamiento de alto voltaje. Al seleccionar el material adecuado —equilibrando el costo del DBC de alúmina frente a la fiabilidad del AMB de nitruro de silicio— y aplicando una validación estricta para vacíos y resistencia al pelado, puede asegurar que sus módulos de potencia funcionen de manera fiable en el campo. Ya sea que esté construyendo inversores para vehículos eléctricos o fuentes de alimentación industriales, definir estas especificaciones temprano es clave para un lanzamiento de fabricación sin problemas.

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