L'allumina e il nitruro di alluminio (AlN) sono materiali ceramici per substrati utilizzati quando un assieme elettronico richiede isolamento e un percorso controllato per il calore. Alcuni gradi di AlN possono offrire una maggiore conducibilità termica; l'allumina può essere sufficiente quando il percorso termico completo consente di rispettare la temperatura obiettivo. Prima di scegliere, confronta il grado esatto, lo spessore della ceramica, la costruzione in rame e la soluzione di raffreddamento.
Parti dalla sorgente di calore, dalla sua area di contatto e dalla soluzione di raffreddamento. Confronta poi i gradi ceramici e le costruzioni dei substrati effettivamente disponibili. Una ceramica più conduttiva può essere utile quando contribuisce in misura significativa al percorso termico; non può però compensare ogni interfaccia poco conduttiva presente nel resto dell'assieme.
Una scheda a circuito ceramico multichip per alte temperature. Fonte: NASA Glenn Research Center. La fonte non identifica il grado della ceramica; non si tratta di un prodotto APTPCB.
Per prima cosa, individua la costruzione ceramica necessaria
In un substrato ceramico solido, la ceramica costituisce il corpo isolante sotto il conduttore. Un laminato organico caricato con ceramica ha una costruzione diversa: le particelle ceramiche sono combinate con un sistema di resine, talvolta con rinforzo in vetro. Entrambi possono comparire nelle ricerche sui materiali per elettronica, ma i rispettivi processi di fabbricazione e le proprietà non devono essere considerati intercambiabili.
Anche la scelta della ceramica è distinta da quella della sua metallizzazione. Il direct bonded copper (DBC) e l'active metal brazing (AMB) descrivono metodi per unire il metallo alla ceramica. Non sono nomi alternativi per l'allumina e l'AlN. Per il progetto occorre confermare la combinazione disponibile di ceramica, rame, geometria e processo di giunzione. Il nostro confronto tra DBC e AMB esamina più nel dettaglio la scelta del metodo di giunzione.
Confronta il percorso termico completo
Il calore generato da un semiconduttore può attraversare diversi strati prima di raggiungere una piastra fredda o l'aria circostante: materiale di fissaggio del die, rame, ceramica, un altro strato di fissaggio e un'interfaccia di raffreddamento. Ciascuno contribuisce all'aumento di temperatura. Il calore inoltre si diffonde mentre attraversa gli strati, quindi l'area effettiva in uno strato non coincide necessariamente con l'area occupata dal die.
Prima di confrontare i valori di conducibilità, poniti queste domande:
- Quanto calore deve dissipare il dispositivo e attraverso quale area entra nel substrato?
- Qual è la temperatura ammissibile sul componente e all'interfaccia di raffreddamento?
- Quali sono lo spessore e le proprietà termiche degli strati proposti di ceramica, rame e materiale di fissaggio?
- Come sarà collegato il substrato al dissipatore o alla piastra fredda e quale materiale di interfaccia è previsto?
- Quali ipotesi richiedono un modello termico, misurazioni su un prototipo o entrambi?
Se un calcolo preliminare suggerisce che la ceramica contribuisce relativamente poco all'aumento totale di temperatura, un grado più conduttivo può offrire al sistema un beneficio inferiore alle attese. Se invece la ceramica domina il percorso termico, può valere la pena esaminare più attentamente l'AlN. In entrambi i casi, il confronto richiede il grado effettivo, lo spessore e le condizioni operative. La nostra guida ai materiali di interfaccia termica tratta un'altra parte di questo percorso.
Stima il contributo dello strato ceramico
Per una prima stima del calore che attraversa uno strato uniforme, la relazione semplificata è R = t / (k × A), dove R è la resistenza termica, t è lo spessore dello strato, k è la conducibilità termica e A è l'area di passaggio del calore assunta. La caduta di temperatura attraverso quello strato è approssimativamente pari al flusso di calore moltiplicato per la sua resistenza termica.
A titolo illustrativo, ipotizziamo uno strato di 0,5 mm, un'area di passaggio del calore costante di 100 mm² e un flusso di calore di 20 W. Confrontiamo due valori ipotetici di conducibilità, 25 e 100 W/(m·K). Questi numeri sono stati scelti per mostrare come funziona il calcolo; non sono proprietà di uno specifico grado di allumina o AlN.
| Ipotesi | Conversione o risultato |
|---|---|
| Spessore dello strato | 0,5 mm = 0,0005 m |
| Area di passaggio del calore | 100 mm² = 0,0001 m² |
| Materiale ipotetico, 25 W/(m·K) | 0.0005 / (25 × 0.0001) = 0,20 K/W; a 20 W, una caduta di 4°C |
| Materiale ipotetico, 100 W/(m·K) | 0.0005 / (100 × 0.0001) = 0,05 K/W; a 20 W, una caduta di 1°C |
In queste ipotesi, la differenza attribuibile alla sola ceramica è di 3°C. La sua rilevanza dipende dal margine di temperatura residuo del dispositivo e dal resto del percorso termico. La stima esclude il materiale di fissaggio del die, il rame, l'interfaccia termica e la resistenza del raffreddamento. Presuppone un flusso di calore stazionario e monodimensionale attraverso un'area costante e una conducibilità costante; nella realtà il calore si diffonde e le proprietà possono variare con la temperatura. Non prevede la temperatura di giunzione. Per un confronto di progetto, sostituisci le ipotesi con i dati relativi ai gradi e alla costruzione proposti.
Nell'equazione semplificata, anche la riduzione dello spessore della ceramica riduce la resistenza. Lo spessore, tuttavia, fa parte della progettazione dell'isolamento e di quella meccanica. Concorda una costruzione effettiva e le relative tolleranze prima di considerare come opzione un substrato più sottile.
Usa una temperatura obiettivo per il confronto
Parti dalla temperatura massima consentita del dispositivo nelle condizioni operative pertinenti e dalla temperatura prevista al confine di raffreddamento. La differenza è l'aumento di temperatura disponibile lungo il percorso modellato. Stima le perdite nel componente e individua dove entrano nell'assieme; ripartisci poi l'aumento tra le interfacce, il substrato e la soluzione di raffreddamento.
Anche il confine di raffreddamento richiede una progettazione definita. La guida ai dissipatori per PCB illustra il collegamento tra scheda, materiale di interfaccia e dissipatore.
Se il risultato preliminare è vicino al limite, individua i dati di ingresso meno certi. L'area di contatto, la qualità dell'interfaccia e le condizioni di raffreddamento possono richiedere misurazioni o un'analisi di sensibilità. Confronta inizialmente le ceramiche candidate usando le stesse ipotesi, quindi sostituisci tali ipotesi con i dati specifici dei gradi dei fornitori proposti. Una resistenza calcolata inferiore della ceramica dovrebbe portare a una verifica più dettagliata del sistema, non all'approvazione automatica del materiale.
Quali altri fattori influenzano la scelta del materiale?
| Decisione | Cosa confrontare | Domanda per il team di progetto |
|---|---|---|
| Prestazioni termiche | Conducibilità del grado proposto nelle condizioni pertinenti, spessore della ceramica e area di passaggio del calore | Il percorso termico completo rispetta la temperatura obiettivo del dispositivo? |
| Isolamento elettrico | Spessore del substrato, disposizione dei conduttori, bordi, ambiente e requisiti di prova applicabili | Quale tensione e quali evidenze di isolamento sono richieste per il prodotto assemblato? |
| Comportamento meccanico | Grado della ceramica, configurazione del rame, montaggio e movimentazione o cicli termici previsti | Dove potrebbero verificarsi sollecitazioni meccaniche e quali evidenze sono necessarie? |
| Fabbricazione e assemblaggio | Metallizzazione, finitura, geometria, processo di fissaggio e tolleranze | La costruzione e il processo di assemblaggio proposti sono compatibili? |
| Fornitura e costo | Gradi, spessori, quantità e alternative approvate disponibili | Cosa può essere quotato e quale modifica richiederebbe una nuova approvazione? |
Una proprietà dielettrica del materiale massivo è utile per confrontare i dati dei materiali, ma non costituisce automaticamente una classificazione di isolamento per un modulo assemblato. Contano anche la distanza tra i conduttori, i bordi, la contaminazione, lo spessore e i requisiti pertinenti del prodotto. Allo stesso modo, non si dovrebbe presumere che un materiale ceramico tolleri urti, vibrazioni o variazioni ripetute di temperatura senza valutarne la costruzione e l'impiego effettivi.
Consulta la scheda tecnica della ceramica insieme al disegno
Due schede possono entrambe riportare «allumina» pur descrivendo gradi, provini o temperature diversi. Registra il produttore e il grado esatto, quindi verifica le condizioni indicate prima di inserire una proprietà in un modello. Se la conducibilità è riportata per una particolare direzione o temperatura, conserva questo dettaglio; se la scheda non lo specifica, chiedi invece di inserire un valore ipotizzato.
Per l'isolamento elettrico, annota la proprietà riportata, lo spessore del provino e il metodo di prova. Per il confronto meccanico, distingui una proprietà del materiale misurata su un provino definito dal comportamento di un substrato dopo la giunzione del rame, il taglio, l'assemblaggio e il montaggio. Un singolo valore di conducibilità, resistenza meccanica o proprietà dielettrica non può sostituire il disegno dell'assieme proposto.
Il confronto dovrebbe anche identificare la costruzione in rame e la finitura superficiale. Un grado di materiale può essere adatto in linea di principio, mentre la geometria richiesta dei conduttori, le dimensioni del substrato o la finitura possono richiedere comunque una verifica di produzione separata. Invia insieme il disegno e la specifica del materiale, affinché il fornitore possa segnalare requisiti incompleti o incompatibili.
Considera fin dall'inizio la movimentazione e i cicli termici
I substrati ceramici richiedono attenzione ai carichi meccanici durante la fabbricazione, il trasporto, l'assemblaggio e l'impiego. Chiedi dove viene sostenuto il substrato, come viene fissato alla superficie di raffreddamento e se una vite, un connettore o un cavo può applicare un carico localizzato. Documenta i materiali di fissaggio proposti e le temperature di assemblaggio previste.
Il rame, la ceramica e i materiali adiacenti possono rispondere diversamente alle variazioni di temperatura. Il comportamento risultante dipende dalla costruzione completa, inclusi la configurazione e lo spessore del rame, il grado della ceramica, le interfacce e l'esposizione termica. Il solo coefficiente di dilatazione di un materiale non permette di calcolarne la durata. Se l'applicazione richiede evidenze relative ai cicli, definisci per il progetto la configurazione dell'assieme, il profilo di temperatura o di potenza, il metodo di ispezione e i criteri di accettazione.
Anche l'allumina e l'AlN dovrebbero essere valutati come substrati finiti e metallizzati, anziché giudicati esclusivamente sulla base della ceramica non metallizzata. Richiedi istruzioni per la movimentazione, la pulizia, lo stoccaggio e l'assemblaggio applicabili alla costruzione effettiva. Non si dovrebbe presumere che una procedura adatta a un grado o a un metodo di metallizzazione sia valida per tutti gli altri.
Quando il progetto prevede un fissaggio mediante saldatura, esamina la finitura proposta e il profilo termico con il team di assemblaggio. La guida alla saldatura su ceramica approfondisce gli aspetti relativi al fissaggio.
Cosa potrebbe cambiare la decisione?
Se il modello termico mostra che l'interfaccia verso la piastra fredda è responsabile della maggior parte dell'aumento di temperatura, migliorare tale interfaccia può essere più utile che cambiare la ceramica. Se il contributo della ceramica è elevato, il team può confrontare un grado più conduttivo con il costo aggiuntivo e gli altri vincoli progettuali. In entrambi i casi, il risultato deve comunque essere verificato rispetto ai requisiti di isolamento, montaggio e produzione.
Se un solo materiale è disponibile nello spessore e nella costruzione in rame richiesti, la decisione pratica può spostarsi verso una revisione dello stack o una modifica del raffreddamento. Registra quale requisito determina la modifica e ottieni l'approvazione prima di sostituire un grado specificato. Un sostituto che appare simile in una tabella delle proprietà termiche può richiedere lavorazioni diverse o nuove evidenze di qualificazione.
Informazioni da includere in una richiesta
Fornisci il materiale previsto o le alternative, lo spessore e la tolleranza della ceramica, la configurazione dei conduttori e i requisiti del rame, nonché la finitura superficiale richiesta. Aggiungi il carico termico e l'interfaccia di raffreddamento, la tensione e l'ambiente operativo, la configurazione di montaggio ed eventuali cicli termici previsti durante l'assemblaggio o l'impiego.
Indica quali requisiti sono vincolanti e quali possono essere discussi. Chiedi quali gradi di materiale e opzioni costruttive sono disponibili per l'ordine, quali dati si applicano a ciascuna opzione e come saranno approvate le sostituzioni proposte. Se disponi già di una specifica dello stack o del materiale, includine la revisione e gli eventuali disegni pertinenti.
Per confronti più ampi, parti dalla guida alla scelta dei materiali per PCB. Per discutere una costruzione proposta, richiedi un preventivo o contatta APTPCB; conferma la disponibilità dei materiali e dei processi durante la preventivazione.