Si3N4 DBC および AMB セラミック基板
広帯域半導体の発展により, パワー半導体デバイスの電力密度を高める, チップ温度の上昇と開発方向の信頼性の向上, したがって、パワー半導体モジュールのパッケージングについては、より高い要件が提示されます。. 前回のはんだレスの話も含めて, ボンディングワイヤやその他の相互接続技術のトレンドが不要, 絶縁基板の選択も頻繁に話題になります.
モジュールの熱性能を向上させるため, チップとバックプレーンの間に熱伝導率の高い絶縁基板を配置する必要がある. 絶縁基板上に回路相互接続を構築する主な方法は DBC です。 (直接接合された銅), セラミック絶縁層 – 非常に優れた電気絶縁性と絶縁耐力を備えています – 2つの銅層の間で直接接合されています. これらの基板は通常、用途とその熱に基づいて選択されます。, 機械的および電気的絶縁特性.
先ほど、絶縁基板についても簡単にお話しました。
パワーモジュールI – 絶縁基板とパワーモジュールII – 絶縁基板のメタライゼーション
一般的な絶縁基板材料にはアルミナが含まれます (Al2O3 と HPS をドープ 9% ジルコニア), 窒化アルミニウム (AlN), 窒化ケイ素 (Si3N4), NS. その中で, Al2O3 が最も経済的です. Al2O3 は最も経済的な選択肢と考えられています, 比較的高い機械的強度を持っていますが、, しかし、他の素材と比較すると, 熱伝導率はかなり低いようです, その後のパワーデバイスの開発には比較的適していない; AlNは熱伝導率が高い, CTEとシリコンはほぼ同じ, 層間剥離やはんだ疲労などの問題を効果的に軽減します。, しかし、より大きな熱サイクルにおける機械的強度は、利点を得るには十分ではありません。. Si3N4 CTE も半導体チップに非常に近い, 優れた機械的強度と熱疲労を提供しながら, しかし、コストと供給は相対的に言えば、 “弱点”, しかし今では高性能モジュールがまだ非常に一般的です, 将来的には窒化シリコン基板の使用がより一般的になるはずです.
友人が最近、窒化ケイ素 DBC と AMB の比較に関する Rogers の記事を共有しました。.
「パワーエレクトロニクスにおけるさまざまな用途における窒化ケイ素 DBC 基板と AMB 基板の比較」’
これに基づいて, 絶縁基板についてもう少し詳しく話しましょう.
窒化ケイ素 DBC および AMB
DBC (直接接合された銅) そしてAMB (活性金属ろう付け) これらの技術は、今日の基板の 2 つの最も一般的な銅敷設プロセスです, 以下は 2 つの製造プロセスの簡単な図です。.
DBC の基本原理は、銅とセラミック基板の間に酸素を導入して、約 1000°C で Cu/O 共晶液相を形成することです。, セラミック基板に付着します。. しかし, AlN および Si3N4, 例えば, 従来の DBC プロセスを満たす前に、まず表面に酸化層が必要です.
AMBの基本原理は、活性元素TiとZrを含むはんだが900℃の温度でセラミックと金属の界面で濡れて反応するというものです。, 絆が生まれる.
上に示した SEM 電子顕微鏡走査界面画像では、各層をより明確に見ることができます。.
Si3N4セラミック基板の特性
そして、他のことが等しいことがわかります, DBCとAMBを使用したSi3N4の熱抵抗もほぼ同じです.
熱衝撃
いくつかの異なるセラミック基板の信頼性を理解するために, 熱衝撃試験によって特徴付けられ、比較されます。, 以下はAlNの比較です。, アルミナセラミックネジ, HPS, Si3N4 (DBC & と).
同じ条件でもそれがわかる, Si3N4 DBC 基板は 20 一般的な Al2O3 DBC 基板よりも熱衝撃に対する耐性が 2 倍高い, およびそのAMB基板 (0.5mm銅層) 以上です 50 倍の耐性.
電気絶縁性能
いくつかのセラミック基板の部分放電と絶縁破壊強度を以下の条件でテストしました。: 50ボール電極での Hz AC, 1kV/s変化率, 5kVで部分放電を測定し、破壊が起こるまで電圧を増加させます. テスト結果は次のとおりです.
すべてのセラミック基板の電気絶縁特性は非常に優れています, したがって、私たちは通常、これが与える影響についてはあまり話しません.
レイアウトの推奨事項
Si3N4 DBC および AMB セラミック基板
AMB セラミック基板の絶縁ギャップは、DBC の絶縁ギャップよりわずかに大きくする必要があります。, ろう付け材を除去するために必要なエッチングプロセスにより、この点で最小サイズが制限されます。. 高電力密度の必要性はより高い電流を意味します, AMB により、より厚い銅層が可能になります (0.3mm～0.8mm), つまり. より高い電流容量を持つ能力.
以下は、記事に記載されているセラミック基板の絶縁電圧と熱伝導率に関連する応用分野のマップです。
さまざまなセラミック基板の特性の長所と短所、および関連するアプリケーションの対応する比較.
まとめ
この内容は、Si3N4 DBC および AMB セラミック基板の特性を理解し、それらをいくつかの主要なセラミック基板と比較することに重点を置いています。. すべてのことと同じように, 基本的に重要な要素が 1 つだけ関係します, “料金”, そして、多くの場合、従来の Al2O3 DBC 基板または Al2O3 がドープされた HPS 基板が見られます。 9% 機械的強度を高めるジルコニア. Si3N4 DBC または AMB 基板は、より優れたパフォーマンスとコストの間でトレードオフがある領域でのみ使用できます。.
Si3N4 DBC および AMB セラミック基板
