A crescente demanda por embalagens eletrônicas-de alta potência impulsiona atualizações contínuas em substratos cerâmicos e tecnologias de metalização.

Impulsionados pelo rápido desenvolvimento de setores como veículos de energia nova, redes inteligentes, fontes de energia industriais, servidores de IA e aeroespacial, os dispositivos semicondutores de energia estão evoluindo em direção a tensões e correntes mais altas, densidades de potência mais altas e miniaturização. O calor substancial gerado durante a operação do dispositivo impõe exigências rigorosas aos recursos de dissipação de calor, à confiabilidade estrutural e à estabilidade-de longo prazo dos materiais de embalagem.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Como materiais fundamentais que conectam chips, circuitos e sistemas de gerenciamento térmico, os substratos cerâmicos para embalagens eletrônicas surgiram como uma solução fundamental no campo de embalagens de dispositivos eletrônicos de alta-potência, graças à sua alta condutividade térmica, excelentes propriedades de isolamento e estabilidade mecânica robusta.

 

Embora os substratos tradicionais de fibra de vidro-4 epóxi-FR e os substratos à base de metal-ofereçam vantagens de custo, sua condutividade térmica limitada e coeficientes de expansão térmica (CTE) relativamente altos os tornam inadequados para aplicações de alta-temperatura e alta potência. Em contraste, os materiais cerâmicos possuem um CTE próximo ao dos materiais semicondutores e mantêm um desempenho estável em ambientes complexos; conseqüentemente, eles são amplamente utilizados em módulos de potência, LEDs, IGBTs, dispositivos SiC e sistemas de acionamento elétrico para veículos de novas energias.

 

Atualmente, os materiais convencionais para substratos cerâmicos de alta condutividade-térmica-incluem alumina (Al₂O₃), carboneto de silício (SiC), nitreto de alumínio (AlN) e nitreto de silício (Si₃N₄). Entre elas, a cerâmica de alumina-caracterizada por processos de fabricação maduros e baixos custos-se destaca como um dos materiais básicos mais utilizados em embalagens eletrônicas. A cerâmica de alumina metalizada, produzida através de técnicas avançadas de processamento, oferece conectividade condutiva aprimorada, atendendo assim aos requisitos de montagem de componentes eletrônicos e transmissão de sinal de circuito.

 

À medida que o desempenho dos dispositivos de energia continua a avançar, o processamento de materiais de alumina de alta-pureza está migrando para maior precisão. Componentes cerâmicos metalizados de precisão de alumina de alta-pureza-fabricados por meio de conformação de precisão, sinterização e metalização de superfície-permitem projetos estruturais que oferecem isolamento e confiabilidade superiores, tornando-os ideais para componentes eletrônicos exigentes e aplicações industriais.

 

No domínio dos módulos de potência de alto-desempenho, as cerâmicas de nitreto de alumínio (AlN) têm recebido atenção significativa devido à sua alta condutividade térmica, baixa constante dielétrica e excelentes propriedades elétricas. Sua condutividade térmica é influenciada principalmente por fatores como defeitos de rede, teor de oxigênio e processo de sinterização.

 

Ao otimizar as formulações de materiais e os fluxos de trabalho de fabricação, os defeitos internos podem ser minimizados e a eficiência do gerenciamento térmico melhorada, tornando esses materiais cada vez mais adequados para aplicações de embalagens eletrônicas de alta-potência. As cerâmicas de carboneto de silício (SiC) demonstram um potencial significativo em ambientes operacionais extremos devido à sua alta resistência, alta resistência ao calor e excelente condutividade térmica. No entanto, sua complexa estrutura cristalina impõe requisitos rigorosos em relação à pureza do material, condições de sinterização e controle microestrutural. Avanços futuros-especificamente a otimização da estrutura dos grãos e a redução de defeitos-relacionados a impurezas-prometem melhorar ainda mais o desempenho geral dos substratos cerâmicos de SiC.

 

Nos últimos anos, a cerâmica de nitreto de silício (Si₃N₄) emergiu como uma área-chave de desenvolvimento para módulos de potência de alta-confiabilidade. Em comparação com materiais cerâmicos tradicionais, eles oferecem resistência mecânica e resistência à fratura superiores, mitigando efetivamente o estresse causado por incompatibilidades de expansão térmica durante o ciclo térmico. Conseqüentemente, componentes cerâmicos metalizados de alta-resistência são cada vez mais utilizados em inversores para novos veículos de energia, módulos de potência de alta-tensão e sistemas eletrônicos de alta-confiabilidade.

 

Os materiais cerâmicos são inerentemente isolantes; portanto, para facilitar as conexões elétricas e a montagem dos componentes, uma camada de circuito metálico deve ser formada por meio de tratamento de superfície-um processo conhecido como metalização cerâmica. Ao criar uma camada metálica estável e bem{2}}ligada na superfície da cerâmica, a tecnologia de metalização garante uma conexão confiável entre a cerâmica e o metal, tornando-a um processo crítico na fabricação de embalagens eletrônicas.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Atualmente, os processos maduros de metalização cerâmica na indústria incluem cobre banhado diretamente (DPC), cobre ligado diretamente (DBC), brasagem de metal ativo (AMB), metalização ativada por laser (LAM) e cobre impresso em-filme espesso (TPC).

 

O processo DPC emprega pulverização catódica, galvanoplastia e fotolitografia para formar circuitos de metal fino; ele é caracterizado pela alta precisão do circuito e excelente desempenho de colagem, tornando-o adequado para embalagens eletrônicas de alta-densidade. Porém, devido aos altos custos de investimento em equipamentos e às limitações na espessura da camada de cobre, sua aplicação concentra-se principalmente na área de dispositivos eletrônicos de precisão.

 

O processo DBC consegue a ligação entre a folha de cobre e a cerâmica por meio de uma reação eutética de cobre-oxigênio, oferecendo vantagens como maturidade do processo e alta capacidade de suporte-de carga. Embora seja amplamente utilizado em embalagens de módulos de potência, a diferença nos coeficientes de expansão térmica entre o cobre e a cerâmica pode levar ao estresse térmico durante o ciclo térmico-de longo prazo, necessitando de melhorias adicionais na confiabilidade.

 

O processo AMB utiliza solda de metal ativo para melhorar a ligação entre a cerâmica e a camada de cobre, demonstrando excelente estabilidade em ambientes de alta-temperatura e alta{1}}potência. Com o desenvolvimento de plataformas de alta-tensão de 800 V para novos veículos de energia, os substratos cerâmicos AMB-Si₃N₄ têm se tornado cada vez mais uma escolha preferida para módulos de potência de alto-desempenho. Componentes para aplicações de alta-tensão-como invólucros de cerâmica para contatores HVDC-impõem requisitos cada vez mais rigorosos às capacidades de isolamento, resistência mecânica e resistência ao calor dos materiais cerâmicos.

 

Além dos métodos tradicionais de metalização, novas tecnologias de metalização-assistidas a laser estão ganhando atenção. Este processo utiliza lasers para modificar a superfície cerâmica, permitindo a deposição seletiva de metal para formar circuitos; oferece vantagens como alta precisão de processamento e flexibilidade de design. A tecnologia de metalização cerâmica está preparada para expandir seu escopo de aplicação na futura fabricação de componentes estruturais eletrônicos de precisão.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Impulsionados pelo crescimento de novos veículos energéticos, sistemas de armazenamento de energia e equipamentos elétricos inteligentes, os cenários de aplicação para produtos cerâmicos metalizados estão em constante expansão. Por exemplo, invólucros cerâmicos metalizados para semicondutores de potência proporcionam um ambiente de embalagem estável, melhorando a resistência ao calor e à tensão dos dispositivos. Da mesma forma, tubos isolantes de cerâmica metalizada são amplamente utilizados em estruturas de isolamento de alta-tensão, servindo tanto para isolamento elétrico quanto para funções de suporte mecânico.

 

As tendências da indústria indicam que os substratos cerâmicos para embalagens eletrônicas evoluirão em direção a maior condutividade térmica, resistência e confiabilidade, juntamente com maior precisão. Por um lado, a pesquisa de materiais otimizará ainda mais os sistemas cerâmicos-como alumina, nitreto de alumínio e nitreto de silício-para melhorar os recursos de gerenciamento térmico. Por outro lado, os processos de metalização continuarão a melhorar a precisão do circuito, a resistência da ligação e a eficiência da produção.

 

Alimentada pela rápida expansão de novos veículos energéticos, sistemas de controle industrial, fontes de alimentação de data centers e equipamentos de armazenamento de energia renovável, a cerâmica metalizada de precisão se tornará um componente vital de embalagens eletrônicas avançadas. A otimização das tecnologias de ligação de cerâmica-a{2}}metal para garantir conexões altamente confiáveis ​​ajudará a atender às demandas futuras de segurança e estabilidade em dispositivos eletrônicos de-alta potência.

 

Olhando para o futuro, a indústria deve continuar a alcançar avanços em tecnologias importantes,-incluindo a preparação de cerâmicas de alta-condutividade{2}}térmica, sinterização com baixos-defeitos, padrões de circuitos de alta{4}}precisão e processos de metalização-ecologicamente corretos. Avançando produtos comocerâmica de alumina metalizada para componentes elétricosem direção a maior desempenho e campos de aplicação mais amplos fornecerão os materiais básicos confiáveis ​​necessários para sistemas eletrônicos de potência da próxima-geração.