В силовых полупроводниковых модулях (IGBT, MOSFET, SiC) подложка выполняет функцию электрической изоляции структуры от радиатора при сохранении низкого теплового сопротивления. Наиболее распространенными типами подложек являются DCB (Direct Copper Bonding) и AMB (Active Metal Brazing).
Механизм прямого связывания меди (DCB)
Технология DCB основана на спекании медной фольги с керамическим основанием (Al2O3 или AlN) при температуре около 1065–1085 градусов Цельсия в атмосфере азота с дозированным содержанием кислорода. При этой температуре образуется евтектический сплав Cu-Cu2O, который смачивает керамику и формирует прочное прослойное соединение.
Пайка активным металлом (AMB)
Технология AMB использует припои на основе серебра и меди с добавлением активных элементов (титана, циркония). Активный элемент вступает в реакцию с керамикой (особенно с нитридом кремния Si3N4), образуя адгезионный слой. Метод AMB обеспечивает повышенную прочность соединения на изгиб и сдвиг.
|
Материал керамики |
Теплопроводность, Вт/(м·К) |
КТР, 10^-6 1/К |
Прочность на изгиб, МПа |
Тип технологии |
|
Оксид алюминия (Al2O3 96%) |
24–28 |
6,8 |
300–400 |
DCB |
|
Нитрид алюминия (AlN) |
170–180 |
4,5 |
300–350 |
DCB / AMB |
|
Нитрид кремния (Si3N4) |
80–90 |
2,6 |
600–700 |
AMB |
Проблема несогласованности КТР и термоциклирование
Главная причина деградации силовых модулей при эксплуатации — разность коэффициентов теплового расширения (КТР) материалов, входящих в состав модуля.
Возникновение сдвиговых напряжений
КТР кремниевого кристалла составляет около 3,5×10^-6 1/К, меди — 16,5×10^-6 1/К, а керамики Al2O3 — 6,8×10^-6 1/К. При циклических изменениях температуры во время работы преобразователя на границах раздела «кристалл-пайка-медь» и «медь-керамика» возникают срезающие напряжения. Это приводит к усталостному растрескиванию паяных швов и отслоению медной фольги от керамического основания.
При комплексном проектировании силовых DCB-подложек важно оптимизировать толщину медных обкладок относительно слоя керамики для снижения изгибающего момента и коробения всей пластины.
Рельефное травление и радиусы скругления
Для уменьшения концентрации напряжений по краям топологического рисунка медного слоя применяются специальные конструктивные приемы:
- Травление фасок и ступенчатых краев на медных дорожках.
- Скругление острых углов печатного проводника радиусом не менее 0,5 мм.
- Симметричное технологическое травление медного слоя на обратной стороне подложки.
Методы испытаний на надежность
Оценка стойкости металлокерамических подложек к термомеханическим нагрузкам проводится по стандартным методикам ускоренных испытаний.
- Термошок (Thermal Shock) — перенос образца из камеры с температурой -55 градусов Цельсия в камеру с +150 градусов Цельсия за время менее 10 секунд (до 1000–3000 циклов).
- Пассивное термоциклирование (Thermal Cycling) — плавное изменение температуры со скоростью 10–15 градусов Цельсия в минуту.
- Ультразвуковая дефектоскопия (C-SAM) — неразрушающий контроль для обнаружения микроотслоений меди и трещин в керамике после проведения циклов.
Подложки на основе Si3N4 по технологии AMB демонстрируют ресурс по термоциклированию, превышающий показатели стандартных DCB-подложек на Al2O3 более чем в 10 раз.