Liaison cuivre céramique DBC/AMB

Direct Bonded Copper (DBC)/et Active Metal Brazing (AMB) : définition, portée et public visé par ce guide

L'électronique de puissance exige des substrats qui font plus que simplement acheminer des signaux ; ils doivent survivre à des contraintes thermiques extrêmes et dissiper d'énormes quantités de chaleur. C'est là que la liaison cuivre céramique DBC/AMB devient le choix technologique critique. Contrairement aux PCB FR4 standard ou même aux PCB à âme métallique, les technologies Direct Bonded Copper (DBC) et Active Metal Brazing (AMB) créent une interface robuste entre des conducteurs en cuivre épais et des isolants céramiques (alumine, nitrure d'aluminium ou nitrure de silicium). Cette liaison détermine la fiabilité des modules de puissance dans les véhicules électriques, la traction ferroviaire et les onduleurs d'énergie renouvelable.

Ce guide est conçu pour les ingénieurs en électronique de puissance, les responsables NPI (New Product Introduction) et les responsables des achats qui doivent s'approvisionner en substrats céramiques sans compromettre la fiabilité. Il va au-delà des fiches techniques de base pour couvrir les réalités pratiques de la fabrication : comment définir des spécifications qui préviennent les défaillances sur le terrain, comment valider la qualité de la liaison et comment auditer la capacité d'un fournisseur.

Chez APTPCB (APTPCB PCB Factory), nous voyons souvent des projets retardés parce que les spécifications initiales pour la liaison cuivre ne tenaient pas compte des exigences spécifiques de cyclage thermique de l'application finale. Ce guide vise à combler cette lacune. Il fournit une approche structurée pour choisir entre DBC et AMB, définir les critères d'acceptation et s'assurer que votre partenaire de fabrication peut fournir une qualité constante à grande échelle.

Direct Bonded Copper (DBC)/et Active Metal Brazing (AMB) (et quand une approche standard est préférable)

Comprendre le point de transition des solutions thermiques standard au collage céramique est essentiel pour le contrôle des coûts. Le collage cuivre céramique DBC/AMB ne remplace pas toutes les cartes de circuits imprimés ; c'est une solution spécialisée pour les applications à haute tension et à haute densité thermique.

Vous devriez passer au DBC ou à l'AMB lorsque :

  • L'isolation de tension est critique : Votre application nécessite des tensions d'isolation dépassant 3kV–5kV, que les couches diélectriques standard des IMS (Insulated Metal Substrate) ne peuvent pas maintenir de manière fiable sur de longues périodes.
  • Les exigences de conductivité thermique sont élevées : Vous avez besoin d'une conductivité thermique allant de 24 W/m·K (Alumine) à plus de 170 W/m·K (Nitrures d'aluminium). Les diélectriques IMS standard atteignent généralement un maximum de 3–8 W/m·K.
  • L'adaptation du CTE est requise : Vous montez des puces nues (IGBT, MOSFET) directement sur le substrat. Le coefficient de dilatation thermique (CTE) de la céramique (4–7 ppm/°C) correspond étroitement à celui du silicium et du carbure de silicium (SiC), réduisant ainsi le stress sur la fixation de la puce.
  • La densité de courant est extrême : Vous avez besoin de cuivre très épais (300µm à 800µm+) pour transporter des centaines d'ampères sans chute de tension excessive ni échauffement.

Inversement, restez sur l'IMS à âme aluminium ou cuivre ou le FR4 à cuivre épais si :

  • Les composants sont encapsulés (par exemple, TO-247) plutôt que des puces nues.
  • La charge thermique est gérable avec un refroidissement actif et des vias thermiques.
  • Le coût est le principal facteur et les exigences de fiabilité n'imposent pas des performances de niveau céramique.
  • L'environnement mécanique implique des chocs et des vibrations élevés où les céramiques fragiles (spécifiquement l'alumine DBC) pourraient se fracturer sans boîtier spécialisé.

Direct Bonded Copper (DBC)/et Active Metal Brazing (AMB) (matériaux, empilement, tolérances)

Spécifications de liaison cuivre céramique DBC/AMB (matériaux, empilement, tolérances)

La définition préalable des spécifications correctes évite les ordres de modification d'ingénierie (ECO) coûteux. Lors de la spécification de la liaison cuivre céramique DBC/AMB, vous devez définir l'interaction entre la base céramique, l'interface de liaison et la feuille de cuivre.

Paramètres de spécification clés :

  • Type de matériau céramique :
    • Al2O3 (96% Alumine) : Standard pour DBC. Faible coût, conductivité thermique modérée (~24 W/m·K).
    • AlN (Nitrures d'aluminium) : Haute performance. Excellente conductivité thermique (~170 W/m·K), correspondance CTE proche du Si.
    • Si3N4 (Nitrures de silicium) : Idéal pour AMB. Extrêmement résistant mécaniquement, bonne conductivité thermique (~90 W/m·K), idéal pour l'automobile.
  • Épaisseur de la céramique : Les épaisseurs standard sont de 0,25 mm, 0,32 mm, 0,38 mm, 0,635 mm et 1,0 mm. Une céramique plus épaisse offre une meilleure isolation mais une résistance thermique plus élevée.
  • Épaisseur du cuivre : Généralement comprise entre 127 µm (5 oz) et 800 µm (23 oz). Les deux côtés nécessitent généralement une épaisseur égale pour éviter le gauchissement (cambrure).
  • Technologie de liaison :
    • DBC : Le cuivre est lié via une fusion eutectique à ~1065°C. Nécessite de l'oxygène dans le cuivre.
  • AMB : Le cuivre est brasé à l'aide de métaux actifs (Ti, Zr, Ag) à environ 800°C–900°C. Crée une liaison chimique avec la céramique.
  • Résistance au pelage :
    • DBC : Généralement > 5 N/mm.
    • AMB : > 10–15 N/mm (nettement plus forte).
  • Finition de surface :
    • Nickel Chimique Or par Immersion (ENIG) : Courant pour le brasage.
    • Nickel Chimique Palladium Chimique Or par Immersion (ENEPIG) : Pour la fiabilité du fil de liaison (wire bonding).
    • Compatible frittage Ag : Cuivre nu avec OSP ou placage Ag pour la fixation de puces à haute température.
  • Tolérances de gravure : En raison de l'épaisseur du cuivre, les facteurs de gravure sont significatifs. L'espacement des interstices nécessite généralement un minimum de 0,3 mm à 0,5 mm selon l'épaisseur du cuivre.
  • Cambrure / Planéité : Critique pour la fixation du dissipateur thermique. La spécification doit être < 0,3 %–0,5 % de la longueur diagonale.
  • Teneur en vides : L'interface de liaison doit être presque exempte de vides pour éviter les points chauds. Spécification : < 1–2 % de la surface totale des vides, sans aucun vide unique > 0,5 mm de diamètre dans les zones actives.
  • Capacité de cyclage thermique : Définir le nombre de cycles (par exemple, -40°C à +150°C) que la liaison doit supporter sans délaminage.
  • Décharge partielle (PD) : Spécifier la tension d'amorçage de la décharge partielle si l'application est à haute tension (>1kV).
  • Traçabilité : Le marquage laser sur les unités individuelles pour le suivi des lots est standard dans l'automobile.

Direct Bonded Copper (DBC)/et Active Metal Brazing (AMB) (causes profondes et prévention)

La fabrication de substrats céramiques implique des températures élevées et des matériaux fragiles. Comprendre les risques associés à la liaison cuivre céramique DBC/AMB vous permet de mettre en œuvre de meilleurs contrôles qualité.

Risque 1 : Vides d'interface (précurseur de délaminage)

  • Cause première : Gaz piégé pendant le processus de fusion eutectique (DBC) ou de brasage (AMB), ou mauvais nettoyage de la surface de la céramique.
  • Détection : La microscopie acoustique à balayage (C-SAM) est le seul moyen non destructif de le visualiser.
  • Prévention : Procédés de liaison sous vide et environnements de salle blanche stricts pour la préparation des matériaux.

Risque 2 : Fissuration de la céramique (fracture conchoïdale)

  • Cause première : Choc thermique pendant le refroidissement (désadaptation du CTE entre le Cu et la céramique) ou contrainte mécanique pendant la découpe (découpe à la scie/au laser).
  • Détection : Test d'isolation électrique (Hi-Pot) et inspection visuelle avec rétroéclairage.
  • Prévention : Profils de refroidissement contrôlés dans le four ; utilisation d'AMB (Si3N4) pour les applications mécaniquement exigeantes ; fossettes dans la disposition du cuivre pour soulager les contraintes.

Risque 3 : Sous-gravure du cuivre

  • Cause première : Le cuivre épais nécessite de longs temps de gravure, ce qui conduit à des profils de pistes trapézoïdaux plutôt que rectangulaires.
  • Détection : Analyse en coupe transversale (microsection).
  • Prévention : Compensation de conception (DFM) appliquée à l'œuvre d'art ; contrôle strict de la chimie de l'agent de gravure.

Risque 4 : Oxydation de surface avant placage

  • Root Cause: La surface de cuivre réagit avec l'air après la gravure mais avant l'application de la finition de surface.
  • Detection: Mauvaise soudabilité ou décollement des liaisons filaires.
  • Prevention: Minimiser les temps d'attente entre les processus ; micro-gravure avant le placage.

Risk 5: Déformation (Cintrage)

  • Root Cause: La disposition asymétrique du cuivre sur la face supérieure par rapport à la face inférieure provoque un cintrage lorsque le substrat refroidit.
  • Detection: Profilométrie laser ou calibres passe/ne passe pas.
  • Prevention: Règle de conception stricte : l'épaisseur et la densité de surface du cuivre supérieur et inférieur doivent être équilibrées.

Risk 6: Migration de l'argent (spécifique AMB)

  • Root Cause: Le matériau de brasage contient souvent de l'argent. Sous haute tension et humidité, l'argent peut migrer, provoquant des courts-circuits.
  • Detection: Test de polarisation en température et humidité (THB).
  • Prevention: Gravure appropriée du débordement du matériau de brasage entre les pistes ; application d'un revêtement conforme ou d'une encapsulation.

Risk 7: Défaillance d'adhérence du masque de soudure

  • Root Cause: Les surfaces céramiques sont extrêmement lisses, ce qui rend difficile l'adhérence des masques de soudure polymères.
  • Detection: Test au ruban adhésif (adhérence par quadrillage).
  • Prevention: Rugosification physique ou chimique de la surface céramique dans les zones sans cuivre ; utilisation de masques de soudure spécialisés compatibles avec la céramique.

Risk 8: Défaillance de la liaison filaire

  • Root Cause: La rugosité de surface du placage est trop élevée, ou le cuivre sous-jacent est trop mou/dur.
  • Detection: Test de traction et de cisaillement du fil.
  • Prévention : Spécifier la finition de surface correcte pour les PCB céramiques (par exemple, ENEPIG) et contrôler la structure granulaire.

Direct Bonded Copper (DBC)/et Active Metal Brazing (AMB) (tests et critères de réussite)

Validation et acceptation de la liaison cuivre céramique DBC/AMB (tests et critères de réussite)

Vous ne pouvez pas vous fier uniquement aux critères d'acceptation standard des PCB (IPC-A-600) pour les substrats céramiques. Vous devez valider spécifiquement l'intégrité de la liaison cuivre céramique DBC/AMB.

Plan de validation :

  1. Microscopie acoustique à balayage (C-SAM) :

    • Objectif : Détecter les vides internes entre le cuivre et la céramique.
    • Méthode : Balayage ultrasonique de 100 % des panneaux (ou échantillonnage AQL).
    • Critères d'acceptation : Surface totale des vides < 2 % ; aucun vide unique > 0,5 mm sous les emplacements des puces de puissance.
  2. Cycles de choc thermique :

    • Objectif : Vérifier la fiabilité de la liaison sous contrainte.
    • Méthode : Cyclage entre -40°C et +150°C (ou +175°C pour les applications SiC).
    • Critères d'acceptation : Pas de délaminage après 1000 cycles (AMB) ou 100-300 cycles (DBC, selon les spécifications).
  3. Test de résistance au pelage :

    • Objectif : Mesurer l'adhérence mécanique du cuivre.
    • Méthode : Traction verticale d'une bande de cuivre.
    • Critères d'acceptation : DBC > 5 N/mm ; AMB > 12 N/mm.
  4. Tension de claquage diélectrique (Isolation) :

    • Objectif : Assurer l'intégrité de la céramique.
    • Méthode : Application d'une tension AC/DC à travers la céramique (Cu supérieur au Cu inférieur).
  • Critères d'acceptation : Courant de fuite < limite spécifiée (par exemple, 1mA) à la tension nominale + marge (par exemple, 5kV).
  1. Vérification dimensionnelle :

    • Objectif : Vérifier la précision de la gravure et la planéité.
    • Méthode : MMT (Machine à Mesurer Tridimensionnelle) ou mesure optique.
    • Critères d'acceptation : Largeur de piste ±10% (ou ±0,1mm pour le Cu épais) ; Planéité < 0,4%.
  2. Soudabilité et aptitude au filage :

    • Objectif : Assurer la préparation à l'assemblage.
    • Méthode : Test d'immersion et d'inspection visuelle / Test de traction de fil.
    • Critères d'acceptation : >95% de mouillage ; Force de traction du fil > spécification minimale (par exemple, 10g pour un fil de 1 mil) avec rupture dans le fil, pas de décollement.
  3. Stockage à haute température (HTS) :

    • Objectif : Vérifier les problèmes d'oxydation ou de diffusion.
    • Méthode : Stocker à 150°C–200°C pendant 1000 heures.
    • Critères d'acceptation : Pas de décoloration ni de changement de résistance électrique.
  4. Essai de décharges partielles :

    • Objectif : Détecter les micro-vides dans la céramique qui s'ionisent sous haute tension.
    • Méthode : Norme IEC 60270.
    • Critères d'acceptation : < 10 pC à la tension de fonctionnement.

Direct Bonded Copper (DBC)/et Active Metal Brazing (AMB) (RFQ, audit, traçabilité)

Lors de l'évaluation d'un fournisseur comme APTPCB, utilisez cette liste de contrôle pour vous assurer qu'il possède les capacités spécifiques pour les substrats céramiques.

Groupe 1 : Entrées RFQ (Ce que vous devez fournir)

  • Fichiers Gerber avec des couches de cuivre claires et un masque de soudure.
  • Spécification du matériau : Al2O3, AlN ou Si3N4.
  • Préférence de type de liaison : DBC ou AMB (ou "Fournisseur à recommander").
  • Exigences d'épaisseur et de tolérance du cuivre.
  • Exigences de finition de surface (ENIG, Ag, Cu nu).
  • Spécifications de planéité/cambrure.
  • Exigences de test (C-SAM, Hi-Pot).
  • Projections de volume (affecte le choix de l'outillage).

Groupe 2 : Preuve de capacité (Ce qu'il faut rechercher)

  • Disposent-ils de fours de brasage/cuisson internes ? (L'externalisation de cette étape ajoute des risques).
  • Peuvent-ils gérer des épaisseurs de cuivre > 500µm ?
  • Disposent-ils d'un équipement C-SAM sur site ?
  • Expérience avec la finition de surface pour PCB céramique spécifiquement pour le fil de liaison ?
  • Capacité à découper au laser ou à rayer la céramique pour la singulation ?
  • Exemples de travaux antérieurs dans les secteurs de l'automobile ou de l'énergie industrielle.

Groupe 3 : Système qualité et traçabilité

  • ISO 9001 est obligatoire ; IATF 16949 est préférée pour l'automobile.
  • Effectuent-ils des tests d'isolation électrique à 100 % ?
  • Existe-t-il un système pour suivre les lots de céramique jusqu'aux lots finis ?
  • Comment contrôlent-ils l'épaisseur de la pâte de brasage (pour AMB) ?
  • Disposent-ils d'une salle blanche pour le processus d'assemblage/liaison ?

Groupe 4 : Contrôle des changements et livraison

  • Politique de changement de fournisseurs de matières premières céramiques (PCN requis ?).
  • Capacité d'emballage : Emballage sous vide pour éviter l'oxydation du cuivre épais.
  • Accords de stock tampon pour les matériaux céramiques à long délai de livraison.
  • Procédure RMA pour les problèmes de délaminage constatés lors de l'assemblage.

Direct Bonded Copper (DBC)/et Active Metal Brazing (AMB) (compromis et règles de décision)

Le choix de la bonne technologie implique d'équilibrer les performances thermiques, la fiabilité mécanique et le coût. Voici les règles de décision pour naviguer entre les compromis.

Compromis 1 : Fiabilité au cyclage thermique (DBC vs. AMB)

  • Règle : Si votre application implique des variations de température fréquentes et importantes (par exemple, onduleurs de traction pour VE, systèmes start-stop), choisissez AMB (nitrure de silicium). La liaison brasée est mécaniquement plus résistante et le Si3N4 est plus tenace.
  • Règle : Si la température est relativement stable ou si le cyclage est doux (par exemple, alimentations industrielles, éclairage LED), choisissez DBC (alumine). C'est une solution rentable et suffisante pour une gestion thermique en régime permanent.

Compromis 2 : Conductivité thermique vs. Résistance mécanique

  • Règle : Si vous avez besoin de la dissipation thermique la plus élevée (par exemple, diodes laser haute densité), choisissez DBC ou AMB sur nitrure d'aluminium (AlN). Notez que l'AlN est cassant.
  • Règle : Si vous avez besoin d'un équilibre entre dissipation thermique élevée et robustesse mécanique (pour résister à la fissuration pendant l'assemblage ou aux vibrations), choisissez AMB sur nitrure de silicium (Si3N4). Il conduit mieux la chaleur que l'alumine et est beaucoup plus résistant que l'AlN.

Compromis 3 : Coût vs. Performance

  • Règle : Si le budget est la contrainte principale et que la tension est < 1kV, envisagez l'IMS à âme en aluminium vs. cuivre.
  • Règle : Si vous avez besoin d'une isolation céramique mais que le budget est serré, le DBC en alumine est la solution céramique d'entrée de gamme.
  • Règle : L'AMB coûte généralement 2 à 3 fois plus cher que le DBC en raison des pâtes métalliques actives coûteuses et des processus de brasage sous vide. Utilisez-le uniquement lorsque la fiabilité du DBC est insuffisante.

Compromis 4 : Épaisseur du cuivre

  • Règle : Si vous avez besoin de plus de 500 µm de cuivre pour un courant massif, l'AMB est souvent préféré car le processus de brasage gère mieux la contrainte de désadaptation du CTE du cuivre épais que la liaison eutectique du DBC.

Compromis 5 : Complexité de la conception

  • Règle : Si votre conception nécessite des pistes à pas fin (< 0,3 mm d'espacement), les substrats céramiques sont difficiles à réaliser en raison de la gravure du cuivre épais. Vous devrez peut-être assouplir les règles de conception ou passer à un processus céramique à couche mince (une technologie entièrement différente).

Direct Bonded Copper (DBC)/et Active Metal Brazing (AMB) (coût, délai, fichiers Compensation de conception (DFM), matériaux, tests)

Q : Quels sont les principaux facteurs de coût pour la liaison cuivre céramique DBC/AMB ?

  • Réponse : Le matériau céramique lui-même (le Si3N4 est cher, l'Al2O3 est bon marché) et l'épaisseur du cuivre.
  • Facteurs :
    • Type de céramique (Si3N4 > AlN > Al2O3).
    • Épaisseur du cuivre (plus épais = temps de gravure plus long + plus de matériau).
    • Rendement (les rendements AMB sont inférieurs à ceux du DBC).
    • Épaisseur du placage or (pour le fil de liaison).

Q : Quel est le délai typique pour les prototypes de liaison cuivre céramique DBC/AMB ?

  • Réponse : Le délai standard est de 3 à 5 semaines.
  • Détails :
  • L'approvisionnement en matériaux céramiques peut prendre 2 semaines s'il n'est pas en stock.
  • La conception de la carte maîtresse et l'outillage prennent 1 semaine.
  • Les services accélérés sont plus difficiles que pour le FR4 en raison de la planification des fours.

Q : Quels fichiers DFM sont requis pour la fabrication de liaisons cuivre céramique DBC/AMB ?

  • Réponse : Les fichiers Gerber standard (RS-274X) sont acceptés, mais vous devez inclure un dessin mécanique spécifiant l'empilement.
  • Crucial :
    • Spécifiez le « pullback » (distance du bord du cuivre au bord de la céramique) – généralement min 0,5 mm.
    • Définissez la compensation de gravure si vous réalisez la conception, ou demandez au fournisseur de l'appliquer.

Q : En quoi les tests de liaison cuivre céramique DBC/AMB diffèrent-ils de ceux du FR4 ?

  • Réponse : La continuité électrique est similaire, mais les tests d'intégrité structurelle sont uniques.
  • Différences :
    • C-SAM est obligatoire pour la céramique afin de vérifier les vides.
    • Les tests de décharge partielle sont courants pour la haute tension.
    • La mesure du voile est plus critique en raison du montage du dissipateur thermique.

Q : Puis-je utiliser des finitions de surface standard comme le HASL sur la céramique DBC/AMB ?

  • Réponse : Non. Le HASL n'est pas adapté en raison des problèmes de choc thermique et de planéité.
  • Options :
    • ENIG : Le plus courant pour le brasage.
    • ENEPIG : Le meilleur pour le fil de liaison.
    • Placage Ag (Argent) : Pour le frittage.
    • Cu nu (OSP) : Pour des processus de frittage spécifiques.

Q : Quels sont les critères d'acceptation pour les vides dans la liaison cuivre céramique DBC/AMB ?

  • Réponse : Cela dépend de la classe de produit, mais généralement strict.
  • Critères :
    • < 1% à 2% de la surface totale de vide sous le die pad.
    • Pas de vides reliant les bords (rupture d'isolation).
    • Pas de vides > 0,5 mm de diamètre dans les chemins thermiques critiques.

Q : Pourquoi "IMS à noyau aluminium vs cuivre" n'est-il pas suffisant pour mon application haute tension ?

  • Réponse : L'IMS repose sur une fine couche diélectrique polymère (généralement 75µm–150µm) pour l'isolation.
  • Raison :
    • Les diélectriques polymères peuvent se dégrader avec le temps sous haute tension (décharge partielle).
    • Les céramiques (0,38mm+) offrent une isolation physique inhérente et non dégradable, capable de supporter >5kV facilement.

Q : Comment spécifier la finition de surface pour les PCB céramiques afin d'assurer la fiabilité du fil de liaison ?

  • Réponse : Spécifiez ENEPIG ou de l'or mou épais.
  • Spécification :
    • Nickel : 3–5µm.
    • Palladium (si ENEPIG) : 0,05–0,15µm.
    • Or : > 0,1µm (pour fil Au) ou or fin pour fil Al.
    • Rugosité : Ra < 0,3µm est souvent requise pour la liaison de fils fins.

Direct Bonded Copper (DBC)/et Active Metal Brazing (AMB) céramique (pages et outils connexes)

Direct Bonded Copper (DBC)/et Active Metal Brazing (AMB) (revue Compensation de conception (DFM) + prix)

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Pour obtenir un devis précis et une revue DFM, veuillez envoyer :

  1. Fichiers Gerber : Y compris les couches de cuivre, le masque de soudure et le contour.
  2. Dessin d'empilement : Spécifiez le type de céramique (Al2O3/AlN/Si3N4), l'épaisseur de la céramique et l'épaisseur du cuivre.
  3. Finition de surface : Par exemple, ENIG, ENEPIG ou Ag.
  4. Volume : Quantité de prototypes par rapport aux objectifs de production.
  5. Exigences spéciales : Rapports C-SAM, isolation de tension spécifique ou spécifications de liaison filaire.

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

La liaison cuivre céramique DBC/AMB est la solution définitive pour l'électronique de puissance qui exige une conductivité thermique sans compromis et une isolation haute tension. En sélectionnant le bon matériau – en équilibrant le coût de l'Alumine DBC par rapport à la fiabilité du Nitrure de Silicium AMB – et en appliquant une validation stricte pour les vides et la force de pelage, vous pouvez garantir que vos modules de puissance fonctionnent de manière fiable sur le terrain. Que vous construisiez des onduleurs pour véhicules électriques ou des alimentations industrielles, définir ces spécifications tôt est la clé d'un lancement de fabrication en douceur.