Оксид алюмінію та нітрид алюмінію (AlN) — керамічні матеріали підкладок, які застосовують, коли електронному вузлу потрібні ізоляція та контрольований шлях відведення тепла. Марки AlN можуть забезпечувати вищу теплопровідність; оксиду алюмінію може бути достатньо, якщо весь шлях відведення тепла забезпечує досягнення цільової температури. Перш ніж зробити вибір, порівняйте конкретну марку матеріалу, товщину кераміки, конструкцію мідних шарів і спосіб охолодження.
Почніть із джерела тепла, площі його контакту та способу охолодження. Потім порівняйте конкретні марки кераміки й конструкції підкладок. Кераміка з вищою теплопровідністю може допомогти, якщо вона становить значну частину шляху відведення тепла; однак вона не компенсує всі інші контактні поверхні з поганою теплопередачею у вузлі.
Багатокристальна високотемпературна керамічна плата. Джерело: Дослідницький центр NASA імені Гленна. У джерелі не зазначено марку кераміки; це не виріб APTPCB.
Спочатку визначте, яка конструкція керамічної підкладки вам потрібна
У суцільній керамічній підкладці кераміка утворює ізоляційну основу під провідником. Органічний ламінат із керамічним наповнювачем має іншу конструкцію: частинки кераміки поєднують зі смоляною системою, іноді зі скляним армуванням. Обидва матеріали можуть траплятися під час пошуку матеріалів для електроніки, але їхні технології виготовлення та властивості не слід вважати взаємозамінними.
Вибір самої кераміки також не тотожний вибору її металізації. Терміни «безпосереднє з’єднання міді» (DBC) та «паяння активним металом» (AMB) позначають способи з’єднання металу з керамікою. Це не інші назви оксиду алюмінію та AlN. Доступне поєднання кераміки, міді, геометрії та процесу з’єднання необхідно підтвердити для конкретного проєкту. У нашому порівнянні DBC та AMB вибір способу з’єднання розглянуто докладніше.
Порівняйте весь шлях відведення тепла
Тепло від напівпровідникового компонента може проходити крізь кілька шарів, перш ніж досягне охолоджувальної плити або навколишнього повітря: шар кріплення кристала, мідь, кераміку, ще один кріпильний шар і тепловий інтерфейс системи охолодження. Кожен із них спричиняє підвищення температури. Тепло також розтікається під час проходження, тому ефективна площа на одному шарі не обов’язково дорівнює площі основи кристала.
Перш ніж порівнювати значення теплопровідності, поставте такі запитання:
- Скільки тепла має розсіювати пристрій і через яку площу воно надходить у підкладку?
- Яка допустима температура компонента та інтерфейсу охолодження?
- Які товщина й теплові властивості запропонованих шарів кераміки, міді та кріпильних матеріалів?
- Як підкладка з’єднуватиметься з радіатором або охолоджувальною плитою та який інтерфейсний матеріал заплановано?
- Які припущення потрібно перевірити за допомогою теплової моделі, вимірювань на прототипі або обох способів?
Якщо попередній розрахунок показує, що кераміка робить відносно малий внесок у загальне підвищення температури, марка з вищою теплопровідністю може принести меншу користь для системи, ніж очікується. Якщо кераміка визначає основну частину теплового опору, варто уважніше розглянути AlN. У будь-якому разі для порівняння потрібні конкретна марка, товщина та умови експлуатації. У нашому посібнику з вибору термоінтерфейсного матеріалу розглянуто ще одну частину цього шляху.
Оцініть внесок керамічного шару
Для попередньої оцінки теплового потоку крізь однорідний шар використовують спрощене співвідношення R = t / (k × A), де R — тепловий опір, t — товщина шару, k — теплопровідність, а A — прийнята площа проходження теплового потоку. Перепад температури на цьому шарі приблизно дорівнює тепловому потоку, помноженому на його тепловий опір.
Для прикладу припустімо, що товщина шару становить 0,5 мм, постійна площа проходження теплового потоку — 100 мм², а тепловий потік — 20 Вт. Порівняймо два гіпотетичні значення теплопровідності: 25 і 100 Вт/(м·К). Ці числа вибрано для демонстрації розрахунку; вони не є властивостями конкретної марки оксиду алюмінію чи AlN.
| Припущення | Переведення або результат |
|---|---|
| Товщина шару | 0,5 мм = 0,0005 м |
| Площа проходження теплового потоку | 100 мм² = 0,0001 м² |
| Гіпотетичний матеріал, 25 Вт/(м·К) | 0.0005 / (25 × 0.0001) = 0,20 К/Вт; за 20 Вт перепад становить 4 °C |
| Гіпотетичний матеріал, 100 Вт/(м·К) | 0.0005 / (100 × 0.0001) = 0,05 К/Вт; за 20 Вт перепад становить 1 °C |
За цих припущень різниця, зумовлена лише керамікою, становить 3 °C. Її значущість залежить від температурного запасу пристрою та решти шляху відведення тепла. Оцінка не враховує опору шару кріплення кристала, міді, термоінтерфейсу та системи охолодження. Вона припускає стаціонарний одновимірний тепловий потік через постійну площу та постійну теплопровідність; на практиці тепло розтікається, а властивості можуть змінюватися з температурою. Цей розрахунок не прогнозує температуру переходу. Для порівняння в межах проєкту замініть припущення даними для запропонованих марок і конструкції.
Зменшення товщини кераміки також знижує опір у цьому спрощеному рівнянні. Однак товщина є частиною розрахунку ізоляції та механічної конструкції. Перш ніж розглядати тоншу підкладку як варіант, узгодьте конкретну конструкцію та її допуски.
Використайте цільову температуру для порівняння
Почніть із максимально допустимої температури пристрою за відповідних умов експлуатації та очікуваної температури на межі охолодження. Різниця між ними — це допустиме підвищення температури на змодельованому шляху. Оцініть втрати в компоненті та визначте, де тепло від них надходить у вузол; потім розподіліть допустиме підвищення температури між інтерфейсами, підкладкою та системою охолодження.
Конструкцію самої межі охолодження також потрібно визначити. У посібнику з радіаторів для друкованих плат розглянуто зв’язок між платою, інтерфейсним матеріалом і радіатором.
Якщо попередній результат близький до граничного значення, визначте, які вхідні дані є найменш достовірними. Для площі контакту, якості інтерфейсу та умов охолодження можуть знадобитися вимірювання або аналіз чутливості. Спочатку порівняйте керамічні матеріали-кандидати за однакових припущень, а потім замініть ці припущення даними запропонованих постачальників для конкретних марок. Нижчий розрахунковий тепловий опір кераміки має стати підставою для детальнішої перевірки системи, а не для автоматичного затвердження матеріалу.
Що ще впливає на вибір матеріалу?
| Аспект рішення | Що порівнювати | Запитання для проєктної команди |
|---|---|---|
| Теплові характеристики | Теплопровідність запропонованої марки за відповідних умов, товщину кераміки та площу проходження теплового потоку | Чи забезпечує весь шлях відведення тепла досягнення цільової температури пристрою? |
| Електрична ізоляція | Товщину підкладки, розташування провідників, краї, середовище та застосовні вимоги до випробувань | Які підтвердження щодо напруги та ізоляції потрібні для складеного виробу? |
| Механічна поведінка | Марку кераміки, рисунок міді, кріплення й очікувані навантаження під час поводження або температурних циклів | Де можуть виникати механічні напруження і які підтвердження потрібні? |
| Виготовлення та складання | Металізацію, фінішне покриття, геометрію, процес кріплення та допуски | Чи сумісні запропонована конструкція та процес складання? |
| Постачання та вартість | Доступні марки, товщини, кількості та затверджені альтернативи | На що можна отримати цінову пропозицію і яка зміна потребуватиме нового погодження? |
Об’ємна діелектрична характеристика корисна для порівняння даних матеріалів, але не є автоматично показником ізоляції складеного модуля. Важливі відстань між провідниками, краї, забруднення, товщина та відповідні вимоги до виробу. Так само не слід припускати, що керамічний матеріал витримає удари, вібрацію або повторні зміни температури без оцінки його фактичної конструкції та умов використання.
Вивчайте технічний паспорт кераміки разом із кресленням
У двох технічних паспортах може бути зазначено «оксид алюмінію», хоча вони описують різні марки, випробувальні зразки або температури. Запишіть виробника й точну марку, а потім перевірте зазначені умови, перш ніж переносити характеристику в модель. Якщо теплопровідність наведено для певного напрямку або температури, збережіть цю інформацію; якщо в паспорті її не зазначено, уточніть, а не підставляйте припущене значення.
Для електричної ізоляції зафіксуйте наведену характеристику, товщину зразка та метод випробування. Для механічного порівняння розрізняйте властивість матеріалу, виміряну на визначеному зразку, і поведінку підкладки після з’єднання з міддю, розрізання, складання та монтажу. Жодне окреме значення теплопровідності, міцності чи діелектричної характеристики не замінить креслення запропонованого вузла.
У порівнянні також слід зазначити конструкцію мідних шарів і фінішне покриття поверхні. Марка матеріалу може бути придатною в принципі, але запитана геометрія провідників, розмір підкладки або покриття все одно можуть потребувати окремої перевірки технологічності. Надсилайте креслення та специфікацію матеріалу разом, щоб постачальник міг виявити неповні або несумісні вимоги.
Заздалегідь врахуйте поводження та температурне циклювання
Керамічні підкладки потребують уваги до механічних навантажень під час виготовлення, транспортування, складання та експлуатації. З’ясуйте, де підкладка спирається на опори, як вона притискається до охолоджувальної поверхні та чи може гвинт, роз’єм або кабель створювати локальне навантаження. Задокументуйте запропоновані кріпильні матеріали й очікувані температури складання.
Мідь, кераміка та сусідні матеріали можуть по-різному реагувати на зміни температури. Поведінка конструкції залежить від усіх її складових, зокрема рисунка й товщини міді, марки кераміки, інтерфейсів і температурного впливу. Сам по собі коефіцієнт розширення матеріалу не дає змоги розрахувати строк служби. Якщо для застосування потрібні підтвердження стійкості до циклювання, визначте для проєкту конфігурацію вузла, температурний профіль або профіль потужності, метод контролю та критерії приймання.
Оксид алюмінію та AlN також слід оцінювати як готові металізовані підкладки, а не судити про них лише за керамікою без металізації. Запитуйте інструкції з поводження, очищення, зберігання та складання, які стосуються конкретної конструкції. Не слід припускати, що процедура, придатна для однієї марки або способу металізації, підійде для всіх інших.
Якщо конструкція передбачає кріплення паянням, розгляньте запропоноване покриття та температурний профіль разом із командою складання. У посібнику з паяння на кераміці питання кріплення розглянуто докладніше.
Що могло б змінити рішення?
Якщо теплова модель показує, що інтерфейс із охолоджувальною плитою спричиняє більшу частину підвищення температури, поліпшення цього інтерфейсу може бути кориснішим за заміну кераміки. Якщо внесок кераміки значний, команда може порівняти марку з вищою теплопровідністю з урахуванням додаткової вартості та інших конструктивних обмежень. У будь-якому разі висновок потрібно перевірити на відповідність вимогам до ізоляції, монтажу та виробництва.
Якщо в потрібній товщині та з потрібною конструкцією мідних шарів доступний лише один матеріал, практичним рішенням може стати перегляд структури шарів або зміна системи охолодження. Зафіксуйте, яка вимога зумовлює цю зміну, та отримайте погодження, перш ніж замінювати зазначену марку. Замінник, який виглядає подібним у таблиці теплових властивостей, може потребувати іншої обробки або нових підтверджень кваліфікації.
Яку інформацію включити до запиту
Укажіть запланований матеріал або альтернативи, товщину кераміки та допуск, рисунок провідників і вимоги до міді, а також потрібне фінішне покриття поверхні. Додайте теплове навантаження та інтерфейс охолодження, робочу напругу й середовище, спосіб монтажу та будь-які очікувані температурні цикли під час складання або експлуатації.
Визначте, які вимоги є незмінними, а які можна обговорити. Запитайте, які марки матеріалів і варіанти конструкції доступні для замовлення, які дані застосовні до кожного варіанта та як погоджуватимуться запропоновані заміни. Якщо у вас уже є структура шарів або специфікація матеріалу, зазначте її редакцію та додайте відповідні креслення.
Для ширшого порівняння почніть із посібника з вибору матеріалів для друкованих плат. Щоб обговорити запропоновану конструкцію, запросіть цінову пропозицію або зв’яжіться з APTPCB; під час отримання пропозиції підтвердьте доступність матеріалів і технологічних процесів.