Direct Bonded Copper (DBC)/и Active Metal Brazing (AMB): определение, область применения и для кого предназначен этот справочник

Мощная электроника требует подложек, которые не просто маршрутизируют сигналы; они должны выдерживать экстремальные термические нагрузки и рассеивать огромное количество тепла. Именно здесь медное соединение керамики DBC/AMB становится критически важным технологическим выбором. В отличие от стандартных FR4 или даже печатных плат с металлическим сердечником, технологии Direct Bonded Copper (DBC) и Active Metal Brazing (AMB) создают прочный интерфейс между толстыми медными проводниками и керамическими изоляторами (оксид алюминия, нитрид алюминия или нитрид кремния). Это соединение определяет надежность силовых модулей в электромобилях, железнодорожном транспорте и инверторах возобновляемой энергии.

Этот справочник предназначен для инженеров силовой электроники, менеджеров по внедрению новых продуктов (NPI) и руководителей отделов закупок, которым необходимо приобретать керамические подложки без ущерба для надежности. Он выходит за рамки базовых технических паспортов, охватывая практические реалии производства: как определить спецификации, предотвращающие отказы в эксплуатации, как проверить качество соединения и как провести аудит возможностей поставщика.

В APTPCB (APTPCB PCB Factory) мы часто сталкиваемся с задержками проектов, потому что первоначальные спецификации для медного соединения не учитывали специфические требования к термическому циклированию конечного применения. Этот справочник призван восполнить этот пробел. Он предлагает структурированный подход к выбору между DBC и AMB, определению критериев приемки и обеспечению того, чтобы ваш производственный партнер мог поставлять стабильное качество в больших объемах.

Direct Bonded Copper (DBC)/и Active Metal Brazing (AMB) медное соединение (и когда стандартный подход лучше)

Понимание точки перехода от стандартных тепловых решений к керамическому соединению имеет важное значение для контроля затрат. Керамическое DBC/AMB медное соединение не является заменой для каждой печатной платы; это специализированное решение для высоковольтных приложений и приложений с высокой тепловой плотностью.

Вам следует перейти на DBC или AMB, когда:

• Изоляция напряжения критична: Ваше приложение требует изоляционных напряжений, превышающих 3кВ–5кВ, которые стандартные диэлектрические слои в IMS (Insulated Metal Substrate) не могут надежно выдерживать в течение длительных периодов.
• Требования к теплопроводности высоки: Вам нужна теплопроводность в диапазоне от 24 Вт/м·К (оксид алюминия) до более 170 Вт/м·К (нитрид алюминия). Стандартные диэлектрики IMS обычно достигают максимума в 3–8 Вт/м·К.
• Требуется согласование КТР: Вы монтируете неинкапсулированные кристаллы (IGBT, MOSFET) непосредственно на подложку. Коэффициент теплового расширения (КТР) керамики (4–7 ppm/°C) близко соответствует кремнию и карбиду кремния (SiC), что снижает нагрузку на крепление кристалла.
• Плотность тока экстремальна: Вам нужна очень толстая медь (от 300 мкм до 800 мкм+), чтобы пропускать сотни ампер без чрезмерного падения напряжения или нагрева.

И наоборот, придерживайтесь IMS с алюминиевым или медным сердечником или FR4 с толстым слоем меди, если:

• Компоненты упакованы (например, TO-247), а не являются неинкапсулированными кристаллами.
• Тепловая нагрузка управляема с помощью активного охлаждения и тепловых переходных отверстий.
• Стоимость является основным фактором, и требования к надежности не предусматривают производительности на уровне керамики.
• Механическая среда включает высокие ударные нагрузки и вибрации, при которых хрупкая керамика (в частности, DBC из оксида алюминия) может разрушиться без специализированного корпуса.

Direct Bonded Copper (DBC)/и Active Metal Brazing (AMB) (материалы, структура, допуски)

Заблаговременное определение правильных спецификаций предотвращает дорогостоящие изменения в проекте (ECO). При определении соединения меди с керамикой DBC/AMB необходимо определить взаимодействие между керамической основой, интерфейсом соединения и медной фольгой.

Ключевые параметры спецификации:

• Тип керамического материала:
  • Al2O3 (96% оксид алюминия): Стандарт для DBC. Низкая стоимость, умеренная теплопроводность (~24 Вт/м·К).
  • AlN (нитрид алюминия): Высокая производительность. Отличная теплопроводность (~170 Вт/м·К), близкое соответствие КТР кремнию.
  • Si3N4 (нитрид кремния): Лучший для AMB. Чрезвычайно прочный механически, хорошая теплопроводность (~90 Вт/м·К), идеален для автомобильной промышленности.
• Толщина керамики: Стандартные толщины: 0,25 мм, 0,32 мм, 0,38 мм, 0,635 мм и 1,0 мм. Более толстая керамика обеспечивает лучшую изоляцию, но более высокое тепловое сопротивление.
• Толщина меди: Обычно варьируется от 127 мкм (5 унций) до 800 мкм (23 унции). Обе стороны обычно требуют одинаковой толщины для предотвращения изгиба (коробления).
• Технология соединения:
  • DBC: Медь соединяется посредством эвтектического расплава при ~1065°C. Требуется кислород в меди.
• AMB: Медь паяется с использованием активных металлов (Ti, Zr, Ag) при ~800°C–900°C. Создает химическую связь с керамикой.
• Прочность на отслаивание:
  • DBC: Обычно > 5 Н/мм.
  • AMB: > 10–15 Н/мм (значительно прочнее).
• Чистота поверхности:
  • Химическое никелирование с иммерсионным золочением (ENIG): Распространено для пайки.
  • Химическое никелирование, химическое палладирование с иммерсионным золочением (ENEPIG): Для надежности проволочного монтажа (wire bonding).
  • Совместимость с серебряным спеканием: Голая медь с OSP или серебряным покрытием для высокотемпературного монтажа кристаллов.
• Допуски травления: Из-за толстой меди факторы травления значительны. Расстояние между зазорами обычно требует мин. 0,3 мм–0,5 мм в зависимости от толщины меди.
• Выпуклость / Плоскостность: Критично для крепления радиатора. Спецификация должна быть < 0,3 %–0,5 % от диагональной длины.
• Содержание пустот: Интерфейс соединения должен быть почти без пустот для предотвращения горячих точек. Спецификация: < 1–2 % от общей площади пустот, при этом ни одна отдельная пустота не должна превышать 0,5 мм в диаметре в активных областях.
• Способность к термоциклированию: Определите количество циклов (например, от -40°C до +150°C), которые соединение должно выдержать без расслоения.
• Частичный разряд (PD): Укажите напряжение начала частичного разряда, если приложение является высоковольтным (>1кВ).
• Прослеживаемость: Лазерная маркировка на отдельных единицах для отслеживания партий является стандартом в автомобильной промышленности.

Direct Bonded Copper (DBC)/и Active Metal Brazing (AMB) (первопричины и предотвращение)

Производство керамических подложек включает высокие температуры и хрупкие материалы. Понимание рисков, связанных с керамическим DBC/AMB медным соединением, позволяет внедрять улучшенные меры контроля качества.

Риск 1: Пустоты на границе раздела (предвестник расслоения)

• Основная причина: Захваченный газ во время эвтектического плавления (DBC) или пайки (AMB), или плохая очистка поверхности керамики.
• Обнаружение: Сканирующая акустическая микроскопия (C-SAM) — единственный неразрушающий способ увидеть это.
• Предотвращение: Процессы вакуумного соединения и строгие условия чистых помещений для подготовки материалов.

Риск 2: Растрескивание керамики (раковистый излом)

• Основная причина: Тепловой удар во время охлаждения (несоответствие КТР между Cu и керамикой) или механическое напряжение во время разделения (резка/лазерная резка).
• Обнаружение: Тестирование электрической изоляции (Hi-Pot) и визуальный осмотр с подсветкой.
• Предотвращение: Контролируемые профили охлаждения в печи; использование AMB (Si3N4) для механически требовательных применений; углубления в медной разводке для снятия напряжения.

Риск 3: Подтравливание меди

• Основная причина: Толстая медь требует длительного времени травления, что приводит к трапециевидным, а не прямоугольным профилям дорожек.
• Обнаружение: Анализ поперечного сечения (микрошлиф).
• Предотвращение: Компенсация конструкции (DFM), применяемая к топологии; строгий контроль химии травителя.

Риск 4: Окисление поверхности перед покрытием

• Root Cause: Поверхность меди реагирует с воздухом после травления, но до нанесения финишного покрытия.
• Detection: Плохая паяемость или отслоение проволочных соединений.
• Prevention: Минимизация времени выдержки между процессами; микротравление перед нанесением покрытия.

Risk 5: Деформация (Коробление)

• Root Cause: Асимметричное расположение меди на верхней и нижней сторонах вызывает изгиб при охлаждении подложки.
• Detection: Лазерная профилометрия или калибры "годен/негоден".
• Prevention: Строгое правило проектирования: толщина и плотность площади меди сверху и снизу должны быть сбалансированы.

Risk 6: Миграция серебра (специфично для AMB)

• Root Cause: Припой часто содержит серебро. При высоком напряжении и влажности серебро может мигрировать, вызывая короткие замыкания.
• Detection: Тестирование на воздействие температуры, влажности и смещения (THB).
• Prevention: Правильное травление излишков припоя между дорожками; нанесение конформного покрытия или герметизация.

Risk 7: Отказ адгезии паяльной маски

• Root Cause: Керамические поверхности чрезвычайно гладкие, что затрудняет адгезию полимерных паяльных масок.
• Detection: Тест с клейкой лентой (адгезия методом решетчатого надреза).
• Prevention: Физическое или химическое придание шероховатости керамической поверхности в областях без меди; использование специализированных паяльных масок, совместимых с керамикой.

Risk 8: Отказ проволочного соединения

• Root Cause: Шероховатость поверхности покрытия слишком высока, или подлежащая медь слишком мягкая/твердая.
• Detection: Испытания на отрыв и сдвиг проволоки.
• Предотвращение: Указание правильной поверхностной обработки для керамических печатных плат (например, ENEPIG) и контроль структуры зерна.

Direct Bonded Copper (DBC)/и Active Metal Brazing (AMB) (тесты и критерии прохождения)

Вы не можете полагаться только на стандартные критерии приемки печатных плат (IPC-A-600) для керамических подложек. Вы должны специально проверить целостность медного соединения керамических DBC/AMB.

План проверки:

1. Сканирующая акустическая микроскопия (C-SAM):

   • Цель: Обнаружение внутренних пустот между медью и керамикой.
   • Метод: Ультразвуковое сканирование 100% панелей (или выборочный контроль по AQL).
   • Критерии приемки: Общая площадь пустот < 2%; ни одна отдельная пустота > 0,5 мм под местами расположения силовых кристаллов.

2. Циклирование термического шока:

   • Цель: Проверка надежности соединения под нагрузкой.
   • Метод: Циклирование между -40°C и +150°C (или +175°C для применений с SiC).
   • Критерии приемки: Отсутствие расслоения после 1000 циклов (AMB) или 100-300 циклов (DBC, в зависимости от спецификации).

3. Испытание на прочность отслаивания:

   • Цель: Измерение механической адгезии меди.
   • Метод: Вертикальное вытягивание медной полосы.
   • Критерии приемки: DBC > 5 Н/мм; AMB > 12 Н/мм.

4. Напряжение пробоя диэлектрика (Изоляция):

   • Цель: Обеспечение целостности керамики.
   • Метод: Приложение напряжения переменного/постоянного тока к керамике (от верхнего Cu к нижнему Cu).

• Критерии приемки: Ток утечки < указанного предела (например, 1мА) при номинальном напряжении + запас (например, 5кВ).

5. Проверка размеров:

   • Цель: Проверка точности травления и плоскостности.
   • Метод: КИМ (координатно-измерительная машина) или оптическое измерение.
   • Критерии приемки: Ширина дорожки ±10% (или ±0,1мм для толстой меди); Плоскостность < 0,4%.

6. Пайка и возможность монтажа проволокой:

   • Цель: Обеспечение готовности к сборке.
   • Метод: Погружение и осмотр / Испытание на отрыв проволоки.
   • Критерии приемки: >95% смачивания; Усилие отрыва проволоки > минимальной спецификации (например, 10г для проволоки 1 мил) с разрушением проволоки, а не отрывом.

7. Высокотемпературное хранение (HTS):

   • Цель: Проверка на наличие проблем с окислением или диффузией.
   • Метод: Хранение при 150°C–200°C в течение 1000 часов.
   • Критерии приемки: Отсутствие изменения цвета или изменения электрического сопротивления.

8. Испытание на частичные разряды:

   • Цель: Обнаружение микропустот в керамике, которые ионизируются под высоким напряжением.
   • Метод: Стандарт IEC 60270.
   • Критерии приемки: < 10 пКл при рабочем напряжении.

Direct Bonded Copper (DBC)/и Active Metal Brazing (AMB) медного соединения (RFQ, аудит, прослеживаемость)

При проверке поставщика, такого как APTPCB, используйте этот контрольный список, чтобы убедиться, что он обладает специфическими возможностями для керамических подложек.

Группа 1: Входные данные RFQ (Что вы должны предоставить)

• Файлы Gerber с четкими медными слоями и паяльной маской.
• Спецификация материала: Al2O3, AlN или Si3N4.
• Предпочтительный тип соединения: DBC или AMB (или "Поставщик должен рекомендовать").
• Требования к толщине и допуску меди.
• Требования к чистоте поверхности (ENIG, Ag, Bare Cu).
• Спецификации по плоскостности/изгибу.
• Требования к испытаниям (C-SAM, Hi-Pot).
• Прогнозы объемов (влияет на выбор оснастки).

Группа 2: Подтверждение возможностей (Что искать)

• Есть ли у них собственные печи для пайки/обжига? (Аутсорсинг этого шага добавляет риск).
• Могут ли они обрабатывать медь толщиной > 500 мкм?
• Есть ли у них оборудование C-SAM на месте?
• Опыт работы с чистотой поверхности для керамических печатных плат специально для проволочного монтажа?
• Возможность лазерной резки или скрайбирования керамики для разделения?
• Примеры предыдущих работ в автомобильной или промышленной энергетике.

Группа 3: Система качества и прослеживаемость

• ISO 9001 является обязательным; IATF 16949 предпочтителен для автомобильной промышленности.
• Проводят ли они 100% испытания на электрическую изоляцию?
• Существует ли система для отслеживания партий керамики до готовых партий?
• Как они контролируют толщину паяльной пасты (для AMB)?
• Есть ли у них чистая комната для процесса укладки/соединения?

Группа 4: Контроль изменений и доставка

• Политика изменения поставщиков керамического сырья (требуется ли PCN?).
• Возможности упаковки: Вакуумная упаковка для предотвращения окисления толстой меди.
• Соглашения о буферном запасе для керамических материалов с длительным сроком поставки.
• Процедура RMA для проблем расслоения, обнаруженных при сборке.

Direct Bonded Copper (DBC)/и Active Metal Brazing (AMB) (компромиссы и правила принятия решений)

Выбор правильной технологии включает в себя баланс между тепловыми характеристиками, механической надежностью и стоимостью. Вот правила принятия решений для навигации по компромиссам.

Компромисс 1: Надежность при термоциклировании (DBC против AMB)

• Правило: Если ваше приложение включает частые, резкие перепады температур (например, тяговые инверторы электромобилей, системы старт-стоп), выберите AMB (нитрид кремния). Паяное соединение механически прочнее, а Si3N4 более износостойкий.
• Правило: Если температура относительно стабильна или циклирование мягкое (например, промышленные источники питания, светодиодное освещение), выберите DBC (оксид алюминия). Это экономически эффективно и достаточно для стационарного управления тепловыми режимами.

Компромисс 2: Теплопроводность против механической прочности

• Правило: Если вам требуется абсолютно высочайшее рассеивание тепла (например, лазерные диоды высокой плотности), выберите DBC или AMB на нитриде алюминия (AlN). Обратите внимание, что AlN хрупкий.
• Правило: Если вам нужен баланс высокой теплоотдачи и механической прочности (чтобы сопротивляться растрескиванию во время сборки или вибрации), выберите AMB на нитриде кремния (Si3N4). Он проводит тепло лучше, чем оксид алюминия, и намного прочнее, чем AlN.

Компромисс 3: Стоимость против производительности

• Правило: Если бюджет является основным ограничением, а напряжение < 1 кВ, рассмотрите IMS с алюминиевым или медным сердечником.
• Правило: Если вам нужна керамическая изоляция, но бюджет ограничен, алюмооксидный DBC — это керамическое решение начального уровня.
• Правило: AMB обычно в 2–3 раза дороже DBC из-за дорогих паст активных металлов и процессов вакуумной пайки. Используйте его только в тех случаях, когда надежности DBC недостаточно.

Компромисс 4: Толщина меди

• Правило: Если вам нужна медь толщиной > 500 мкм для больших токов, AMB часто предпочтительнее, поскольку процесс пайки лучше справляется с напряжением несоответствия КТР толстой меди, чем эвтектическое соединение DBC.

Компромисс 5: Сложность конструкции

• Правило: Если ваша конструкция требует тонких дорожек (< 0,3 мм зазора), керамические подложки представляют собой проблему из-за травления толстой меди. Возможно, вам придется ослабить правила проектирования или перейти к процессу тонкопленочной керамики (совершенно другая технология).

Direct Bonded Copper (DBC)/и Active Metal Brazing (AMB) (стоимость, сроки, файлы Компенсация конструкции (DFM), материалы, тестирование)

В: Каковы основные факторы, влияющие на стоимость медной пайки керамических DBC/AMB?

• Ответ: Сам керамический материал (Si3N4 дорогой, Al2O3 дешевый) и толщина меди.
• Факторы:
  • Тип керамики (Si3N4 > AlN > Al2O3).
  • Толщина меди (толще = дольше время травления + больше материала).
  • Выход годных изделий (выход AMB ниже, чем у DBC).
  • Толщина золотого покрытия (для проволочного монтажа).

В: Каков типичный срок изготовления прототипов медной пайки керамических DBC/AMB?

• Ответ: Стандартный срок изготовления составляет 3–5 недель.
• Подробности:
• Закупка керамического материала может занять 2 недели, если его нет в наличии.
• Разработка макета основной платы и оснастки занимает 1 неделю.
• Ускоренные услуги сложнее, чем для FR4, из-за планирования работы печи.

В: Какие DFM-файлы требуются для производства керамических DBC/AMB медных соединений?

• Ответ: Принимаются стандартные файлы Gerber (RS-274X), но вы должны приложить механический чертеж, указывающий структуру слоев.
• Ключевое:
  • Укажите «отступ» (расстояние от края меди до края керамики) – обычно мин. 0,5 мм.
  • Определите компенсацию травления, если вы делаете разводку, или попросите поставщика применить ее.

В: Чем тестирование керамических DBC/AMB медных соединений отличается от FR4?

• Ответ: Электрическая непрерывность аналогична, но тестирование структурной целостности уникально.
• Различия:
  • C-SAM обязателен для керамики для проверки на наличие пустот.
  • Тестирование на частичный разряд распространено для высокого напряжения.
  • Измерение коробления более критично из-за монтажа радиатора.

В: Могу ли я использовать стандартные поверхностные покрытия, такие как HASL, на керамических DBC/AMB?

• Ответ: Нет. HASL не подходит из-за проблем с термическим шоком и плоскостностью.
• Варианты:
  • ENIG: Наиболее распространен для пайки.
  • ENEPIG: Лучше всего для проволочного монтажа.
  • Покрытие Ag (серебро): Для спекания.
  • Голая медь (OSP): Для специфических процессов спекания.

В: Каковы критерии приемлемости пустот в керамических DBC/AMB медных соединениях?

• Ответ: Зависит от класса продукта, но, как правило, требования строгие.
• Критерии:
  • < 1% до 2% общей площади пустот под кристаллом.
  • Отсутствие пустот, соединяющих края (нарушение изоляции).
  • Отсутствие пустот диаметром > 0,5 мм в критических тепловых путях.

В: Почему "IMS с алюминиевым или медным сердечником" недостаточно для моего высоковольтного применения?

• Ответ: IMS полагается на тонкий полимерный диэлектрический слой (обычно 75мкм–150мкм) для изоляции.
• Причина:
  • Полимерные диэлектрики могут со временем деградировать под высоким напряжением (частичный разряд).
  • Керамика (0,38мм+) обеспечивает присущую, неразрушающую физическую изоляцию, способную легко выдерживать >5кВ.

В: Как мне указать чистоту поверхности для керамической печатной платы, чтобы обеспечить надежность проволочного монтажа?

• Ответ: Укажите ENEPIG или толстое мягкое золото.
• Спецификация:
  • Никель: 3–5мкм.
  • Палладий (если ENEPIG): 0,05–0,15мкм.
  • Золото: > 0,1мкм (для золотой проволоки) или тонкое золото для алюминиевой проволоки.
  • Шероховатость: Ra < 0,3мкм часто требуется для монтажа тонкой проволокой.

Direct Bonded Copper (DBC)/и Active Metal Brazing (AMB) (связанные страницы и инструменты)

• Возможности керамических печатных плат – Подробный обзор наших производственных ограничений для оксида алюминия и нитрида алюминия.
• Решения для печатных плат с высокой теплопроводностью – Узнайте, как керамика сравнивается с другими технологиями теплового управления, такими как толстая медь и металлический сердечник.
• Печатная плата с металлическим сердечником (IMS) – Изучите альтернативу: когда стоит придерживаться экономичных алюминиевых подложек.
• Рекомендации DFM – Основные правила проектирования для обеспечения технологичности вашей керамической компоновки.
• Печатная плата с толстым слоем меди – Узнайте о сильноточных дорожках на стандартных подложках, если керамика избыточна для вашего проекта.

Direct Bonded Copper (DBC)/и Active Metal Brazing (AMB) медное соединение (анализ Компенсация конструкции (DFM) + ценообразование)

Готовы проверить свой дизайн? APTPCB предоставляет комплексный анализ DFM для выявления термических и механических рисков, прежде чем вы приступите к производству оснастки.

Чтобы получить точное коммерческое предложение и анализ DFM, пожалуйста, отправьте:

1. Файлы Gerber: Включая слои меди, паяльную маску и контур.
2. Чертеж стека: Укажите тип керамики (Al2O3/AlN/Si3N4), толщину керамики и толщину меди.
3. Поверхностное покрытие: Например, ENIG, ENEPIG или Ag.
4. Объем: Количество прототипов по сравнению с производственными целями.
5. Особые требования: Отчетность C-SAM, специфическая изоляция напряжения или спецификации по проволочному монтажу.

Нажмите здесь, чтобы запросить коммерческое предложение и анализ DFM

Direct Bonded Copper (DBC)/и Active Metal Brazing (AMB) медному соединению

Керамическое DBC/AMB медное соединение является окончательным решением для силовой электроники, требующей бескомпромиссной теплопроводности и высоковольтной изоляции. Выбирая правильный материал — балансируя стоимость DBC из оксида алюминия с надежностью AMB из нитрида кремния — и обеспечивая строгую проверку на наличие пустот и прочность отслаивания, вы можете гарантировать надежную работу ваших силовых модулей в полевых условиях. Независимо от того, строите ли вы инверторы для электромобилей или промышленные источники питания, раннее определение этих спецификаций является ключом к успешному запуску производства.

Related links

• **Возможности керамических печатных плат**
• **Решения для печатных плат с высокой теплопроводностью**
• **Печатная плата с металлическим сердечником (IMS)**
• **Рекомендации DFM**
• **Печатная плата с толстым слоем меди**
• **Нажмите здесь, чтобы запросить коммерческое предложение и анализ DFM**