Si3N4 DBC and AMB ceramic substrates
Con el desarrollo de semiconductores de ancho de banda amplio, dispositivos semiconductores de potencia a mayor densidad de potencia, Mayor temperatura del chip y mayor confiabilidad de la dirección de desarrollo., y, en consecuencia, para el embalaje del módulo semiconductor de potencia se plantean requisitos más altos. Incluyendo nuestra charla anterior sobre no soldar., sin cables de unión y otras tendencias tecnológicas de interconexión, La elección del sustrato aislante también se ha convertido en un tema frecuente de discusión..
Para mejorar el rendimiento térmico del módulo., es necesario colocar un sustrato aislante con alta conductividad térmica entre el chip y el backplane. El método principal para construir interconexiones de circuitos sobre sustratos aislantes es DBC. (Cobre adherido directamente), en el que una capa aislante cerámica – con muy buen aislamiento eléctrico y rigidez dieléctrica – Está unido directamente entre dos capas de cobre.. Estos sustratos generalmente se seleccionan en función de la aplicación y su temperatura., propiedades de aislamiento mecánico y eléctrico.
Anteriormente también tuvimos una breve charla sobre sustratos aislantes.
Módulo de potencia I – Sustrato aislado y módulo de potencia II – Metalización de sustratos aislados
Los materiales de sustrato aislante comunes incluyen alúmina. (Al2O3 y HPS dopados con 9% circonita), nitruro de aluminio (AlN), Nitrido de silicona (Si3N4), etc. Entre ellos, Al2O3 es el más económico. Al2O3 se considera la opción más económica, aunque tiene una resistencia mecánica relativamente alta, pero en comparación con otros materiales, La conductividad térmica parece ser mucho más débil., relativamente menos adecuado para el desarrollo de dispositivos de energía posteriores; AlN tiene una mayor conductividad térmica., CTE y silicio son casi iguales., reduciendo eficazmente la delaminación y la fatiga de la soldadura y otros problemas, pero la resistencia mecánica del ciclo térmico en un mayor no es suficiente para tener la ventaja. Si3N4 CTE también está muy cerca del chip semiconductor, al mismo tiempo que proporciona buena resistencia mecánica y fatiga térmica, pero el costo y la oferta son relativamente hablando «punto débil», pero ahora que estamos en el módulo de alto rendimiento sigue siendo muy común, el uso de sustrato de nitruro de silicio en el futuro debería ser más común.
Un amigo compartió recientemente un artículo de Rogers sobre la comparación de DBC y AMB de nitruro de silicio..
'Comparación de sustratos de nitruro de silicio DBC y AMB para diferentes aplicaciones en electrónica de potencia’
Basado en esto, hablemos un poco más de sustratos aislantes.
Nitruro de Silicio DBC y AMB
DBC (Cobre adherido directamente) and CON (Soldadura de metal activado) Las tecnologías son los dos procesos de colocación de cobre más comunes para sustratos en la actualidad., Y a continuación se muestra un diagrama simple de los dos procesos de fabricación..
El principio básico del DBC es introducir oxígeno entre el cobre y el sustrato cerámico para formar una fase líquida eutéctica de Cu/O a aproximadamente 1000°C., que a su vez se adhiere al sustrato cerámico. Sin embargo, AlN y Si3N4, Por ejemplo, Requieren primero una capa de oxidación en sus superficies antes de que se pueda satisfacer el proceso DBC convencional..
El principio básico de AMB es que la soldadura que contiene los elementos activos Ti y Zr se humedece y reacciona en la interfaz entre cerámica y metal a una temperatura de 900°C., resultando en unión.
La imagen de la interfaz de escaneo del microscopio electrónico SEM que se muestra arriba nos permite ver cada capa con mayor claridad..
Características del sustrato cerámico Si3N4
Y podemos ver que en igualdad de condiciones, la resistencia térmica de Si3N4 con DBC y AMB también es casi la misma.
Choque termal
Para comprender la confiabilidad de varios sustratos cerámicos diferentes., Se caracterizan y comparan mediante pruebas de choque térmico., a continuación se muestran las comparaciones de AlN, Al2O3, HPS, Si3N4 (DBC & CON).
Podemos ver que bajo las mismas condiciones., el sustrato Si3N4 DBC es 20 veces más resistente al choque térmico que el sustrato común Al2O3 DBC, and its AMB substrate (0.5mm capa de cobre) Es mas que 50 veces más resistente.
Rendimiento de aislamiento eléctrico
Se probaron varios sustratos cerámicos para determinar la descarga parcial y la resistencia a la rotura en las siguientes condiciones: 50Hz CA en el electrodo de bola, 1tasa de cambio kV/s, medir descargas parciales a 5 kV y aumentar el voltaje hasta que se produzca una ruptura. Los resultados de la prueba son los siguientes..
Las propiedades de aislamiento eléctrico de todos los sustratos cerámicos son bastante buenas., Por lo general, no hablamos demasiado sobre las implicaciones de esto..
Recomendaciones de diseño
Si3N4 DBC and AMB ceramic substrates
La separación de aislamiento de los sustratos cerámicos AMB debe ser ligeramente mayor que la de los DBC., y el proceso de grabado necesario para eliminar el material de soldadura fuerte limita el tamaño mínimo a este respecto.. La necesidad de altas densidades de potencia significa corrientes más altas., y AMB permite capas de cobre más gruesas (0.3mm a 0,8 mm), es decir. la capacidad de tener una mayor capacidad de carga de corriente.
A continuación se muestra un mapa de las áreas de aplicación relacionadas con el voltaje de aislamiento y la conductividad térmica de los sustratos cerámicos que figuran en el artículo.
Así como las ventajas y desventajas de las características de los diferentes sustratos cerámicos y la correspondiente comparación de las aplicaciones relevantes..
Resumen
El contenido se centra en comprender las propiedades de los sustratos cerámicos Si3N4 DBC y AMB y compararlos con varios sustratos cerámicos importantes.. Como con todo, Básicamente hay un factor clave que entra en juego., «costo», y la mayoría de las veces vemos sustratos tradicionales de Al2O3 DBC o sustratos HPS dopados con 9% circonio para una mayor resistencia mecánica. Los sustratos Si3N4 DBC o AMB solo se pueden encontrar en áreas donde existe un equilibrio entre mejor rendimiento y costo..
Si3N4 DBC and AMB ceramic substrates
