DBC è l’acronimo comunemente impiegato per indicare la tecnologia Direct Bonded Copper, sviluppata per realizzare la giunzione diretta dei substrati ceramici con lamine di rame relativamente spesso (senza l’aggiunta di altri materiali di giunzione). Questa stessa tecnologia può essere impiegata per realizzare la giunzione diretta di lamine di rame tra loro.
Tipici prodotti DBC sono:
1- Substrati per Circuiti di Potenza;
2- Raffreddatori attivi a circolazione di liquido.

1. Substrati DBC
Il substrato DBC è costituito da uno strato isolante in materiale ceramico, tipicamente in Allumina (Al2O3) o in Nitruro di Alluminio (AlN), al quale vengono fatti aderire due strati di Rame puro (Cu-OFE: 99.99%), sotto forma di lamine, mediante un processo ad alta temperatura in cui si realizzano la fusione controllata della superfici in gioco, e successivamente fenomeni di diffusione allo stato solido. Il risultato finale è una giunzione così intima da non potere separare più i singoli componenti senza rompere la ceramica.
Attualmente sono i substrati più largamente impiegati per il montaggio dei componenti nudi (Chip On Board) nei circuiti elettronici di potenza.

L’utilizzo di uno strato ceramico quale isolante elettrico, assicura proprietà funzionali elevate e stabili nel tempo (isolamento elettrico, dissipazione termica). Più specificatamente i materiali ceramici forniscono i seguenti vantaggi rispetto agli isolanti organici:
- Elevata Conducibilità Termica (Al2O3: 24 W/m·K; AlN: 130-180 W/m·K);
- Proprietà fisiche e termo-meccaniche stabili
Grazie alla sua elevata conducibilità termica, lo strato ceramico può raggiungere un intervallo di spessori tale (0.32 – 1.0 mm) da sopportare anche tensioni molto elevate (Rigidità Dielettrica: > 20 kVdc/mm).
D’altro canto l’utilizzo di lamine di rame relativamente spesse (0,2 – 0,6 mm) assicura:
- capacità di sopportare correnti elettriche significative (100 – 1.000 Amps);
- pronunciata diffusione laterale del calore, ed elevata capacità termica à superiori capacità di dissipazione termica in condizioni statiche e dinamiche.
Infine la tecnica di giunzione diretta esclude la presenza di materiali termicamente poco conduttivi tra il rame e la ceramica.

Affidabilità
L’elevata adesione garantita dalla tecnica di giunzione diretta, fa sì che il Coefficiente di Espansione Termica (CTE) sulla superficie del rame sia molto vicino a quello dello strato ceramico
(Al2O3: 6.8 ppm/K @ 20-300°C; AlN: 4.7 ppm/K @ 20-300°C), che a sua volta è bene accoppiato con quello del silicio. Questo buon accoppiamento termo-meccanico minimizza le tensioni termich indotte nel silicio quando il componente nudo viene montato direttamente sul substrato. Questa caratteristica consente quindi di realizzare circuiti di potenza con componenti nudi (Chip On Board), con significativa riduzione di ingombro e conseguente compattezza del dispositivo di potenza finale. Inoltre il nucleo ceramico esclude la degradazione dell’isolante in seguito a fenomeni di invecchiamento termico ed ambientale, ed assicura un lungo tempo di vita del substrato nelle reali condizioni operative (cicli di potenza, vibrazioni).


2. Raffreddatori DBC a Liquido
I Raffreddatori DBC a Liquido sono costituiti da diverse lamine in rame, su ciascuna delle quali sono state realizzate delle aperture secondo una geometria prestabilita. Queste lamine sono unite insieme a costituire un unico blocco ermetico tramite lo stesso processo di giunzione diretta impiegato per realizzare i Substrati DBC (Processo DBC). Durante tale processo tra le lamine contigue si realizza una intima connessione. L’evidente vantaggio di questa tecnica costruttiva, è che non si deve ricorrere ad altri materiali di giunzione (lega di brasatura, adesivi) che possono peggiorare le caratteristiche di smaltimento del calore.

Le lamine così collegate creano una struttura tridimensionale di micro-canali che, tramite la circolazione di liquido al loro interno, assicura un sistema raffreddamento attivo ai circuiti elettronici impiegati per applicazioni spinte. Lo smaltimento del calore garantito da questo tipo di raffreddatori, grazie alla struttura a micro-canali che consente di avere un flusso turbolento anche per portate relativamente basse (tipici valori di portata per questi sistemi non superano mai i 5 lt/min), è molto efficiente.

La specifica struttura dei micro-canali determina tutte le caratteristiche del raffreddatore: resistenza termica, salto di pressione, portata. Il fluido refrigerante è tipicamente inserito o prelevato tramite aperture connesse con o-ring o raccordi a vite.

I Raffreddatori con Liquido DBC possono integrare Substrati DBC sul fronte e sul retro, oppure possono essere realizzati solamente in rame se non è necessario l’isolamento elettrico tra il circuito idraulico ed I componenti di potenza.

La compattezza di questi sistemi consente un raffreddamento 4 volte più efficiente rispetto alla combinazione di assemblaggi convenzionali dei moduli di potenza con sistemi di raffreddamento a circolazione di liquido tradizionali. Grazie al basso peso ed il limitato ingombro, il Raffreddatore DBC è una applicazione ideale per molte applicazione di alta potenza (trazione, telecom, controllo motori, celle solari, server/mainframe, diodi laser).

Applicazioni principali
I Substrati ed i Raffreddatori DBC tipicamente sono impiegati per costruire moduli di potenza in diversi campi applicativi, in cui le elevate prestazioni e l’affidabilità siano un requisito chiave.
Rispetto a qualche anno fa oggi i Substrati DBC sono molto più competitivi, e ciò ha reso possibile la loro espansione anche in mercati emergenti dove la riduzione dei costi del sistema complessivo è un fattore decisivo nella selezione dei materiali appropriati.
Settori di applicazione tipico sono:
- Automazione Industriale;
- Automotive;
- Trazione Ferroviaria;
- Aerospaziale;
- IT & Telecom;
- Medicale;
- Energie Rinnovabili;
- Fotovoltaico a Concentrazione (CPV);
- Elettrodomestici.