Силовая электронная подложка
Роль подложки в силовой электронике заключается в обеспечении соединений для формирования электрической цепи (например, печатной платы ) и охлаждении компонентов. По сравнению с материалами и технологиями, используемыми в микроэлектронике малой мощности , эти подложки должны проводить более высокие токи и обеспечивать изоляцию более высокого напряжения (до нескольких тысяч вольт). Они также должны работать в широком диапазоне температур (до 150 или 200 °C).
соединением (DBC прямым Подложка из меди с )
Подложки DBC обычно используются в силовых модулях из-за их очень хорошей теплопроводности . [1] Они состоят из плитки из керамического материала с листом меди , прикрепленным к одной или обеим сторонам в процессе высокотемпературного окисления (медь и подложка нагреваются до тщательно контролируемой температуры в атмосфере азота, содержащей около 30 частей на миллион кислорода; в этих условиях образуется медно-кислородная эвтектика, которая успешно связывается как с медью, так и с оксидами, используемыми в качестве подложек). Верхний медный слой может быть предварительно сформирован перед обжигом или химически протравлен с использованием технологии печатных плат для формирования электрической цепи, тогда как нижний медный слой обычно остается простым. Подложка крепится к теплораспределителю путем припаивания к нему нижнего медного слоя.
Похожий метод использует затравочный слой, фотоизображение, а затем дополнительное медное покрытие, чтобы обеспечить тонкие линии (всего 50 микрометров) и сквозные отверстия для соединения передней и задней сторон. Это можно комбинировать со схемами на основе полимеров для создания подложек высокой плотности, которые устраняют необходимость прямого подключения силовых устройств к радиаторам. [2]
Одним из основных преимуществ DBC по сравнению с другими подложками силовой электроники является их низкий коэффициент теплового расширения , близкий к коэффициенту теплового расширения кремния (по сравнению с чистой медью ). Это обеспечивает хорошие характеристики термоциклирования (до 50 000 циклов). [3] Подложки DBC также обладают превосходной электроизоляцией и хорошими характеристиками теплоотдачи. [4]
Керамические материалы, используемые в DBC, включают:
- Оксид алюминия (Al 2 O 3 ), широко используемый из-за его низкой стоимости. Однако он не очень хороший теплопроводник (24-28 Вт/мК) и хрупок. [5]
- Нитрид алюминия (AlN), который дороже, но имеет гораздо лучшие тепловые характеристики (> 150 Вт/мК).
- Нитрид кремния (SiN) (90 Вт/мК)
- HPS (оксид алюминия, легированный 9% ZrO 2 ) (26 Вт/мК)
- Оксид бериллия (BeO), который обладает хорошими термическими характеристиками, но его часто избегают из-за его токсичности при проглатывании или вдыхании порошка.
металлической пайки (AMB активной Подложка из )
AMB состоит из металлической фольги, припаянной к керамической опорной пластине с помощью паяльной пасты и высокой температуры (800–1000 °C) в вакууме. Хотя AMB электрически очень похож на DBC, он обычно подходит для небольших производственных партий из-за уникальных технологических требований.
металлическая подложка ( Изолированная ) IMS
IMS состоит из металлической опорной пластины ( обычно используется алюминий из-за его низкой стоимости и плотности), покрытой тонким слоем диэлектрика (обычно слоем на эпоксидной основе) и слоем меди (толщиной от 35 мкм до более 200 мкм). Диэлектрик на основе FR-4 обычно тонкий (около 100 мкм), поскольку имеет плохую теплопроводность по сравнению с керамикой, используемой в подложках DBC.
По своей структуре IMS представляет собой одностороннюю подложку, т.е. на ней могут размещаться компоненты только с медной стороны. В большинстве случаев опорная пластина прикрепляется к радиатору для обеспечения охлаждения, обычно с помощью термопасты и винтов. Некоторые подложки IMS доступны с медной опорной пластиной для улучшения тепловых характеристик.
По сравнению с классической печатной платой IMS обеспечивает лучший отвод тепла. Это один из самых простых способов обеспечить эффективное охлаждение компонентов поверхностного монтажа . [6] [7]
Другие субстраты [ править ]
- Когда силовые устройства подключены к соответствующему радиатору , нет необходимости в термически эффективной подложке. классический материал печатной платы Можно использовать (PCB) (этот метод обычно используется с компонентами , изготовленными по технологии сквозного монтажа ). Это также справедливо для приложений с низким энергопотреблением (от нескольких милливатт до нескольких ватт), поскольку печатная плата может быть термически улучшена за счет использования тепловых переходов или широких дорожек для улучшения конвекции . Преимущество этого метода заключается в том, что многослойная печатная плата позволяет проектировать сложные схемы, тогда как DBC и IMS являются в основном односторонними технологиями. [8]
- Гибкие подложки можно использовать для приложений с низким энергопотреблением. Поскольку они изготовлены с использованием каптона в качестве диэлектрика, они могут выдерживать высокие температуры и высокие напряжения. Их природная гибкость делает их устойчивыми к термоциклическим повреждениям.
- Керамические подложки ( толстопленочная технология ) также могут использоваться в некоторых приложениях (например, в автомобилестроении), где надежность имеет первостепенное значение. [9] По сравнению с DCB технология толстой пленки предлагает более высокую степень свободы дизайна, но может быть менее рентабельной.
- Тепловые характеристики IMS, DBC и толстопленочной подложки оценены в Термическом анализе мощных модулей. Ван Годболд, К., Санкаран, В.А. и Хаджинс, Дж.Л., IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 12, № 1, январь 1997 г., страницы 3–11, ISSN 0885-8993 [4] (доступ ограничен)
Ссылки [ править ]
- ^ «Технические данные Rogers DBC» (PDF) .
- ^ Источник: Hytel Group, производитель меди на керамических подложках. Архивировано 22 февраля 1999 г. на Wayback Machine.
- ^ Источник: Curamik, производитель DBC.
- ^ Источник: Лю, Синшэн (февраль 2001 г.). «Обработка и оценка надежности паяных соединений силовых чипов». Техническая диссертация Вирджинии [1]
- ^ Источник: Лю, Синшэн (февраль 2001 г.). «Обработка и оценка надежности паяных соединений силовых чипов». Техническая диссертация Вирджинии [2]
- ↑ Источник: компания Bergquist. Архивировано 8 февраля 2006 г. в Wayback Machine.
- ^ Источник: AI Technology, Inc. Архивировано 28 сентября 2007 г. на Wayback Machine.
- ^ Управление температурным режимом в преобразователях мощности высокой плотности , Мартин Мерц, Международная конференция по промышленным технологиямICIT'03 Марибор, Словения, 10–12 декабря 2003 г. «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 13 июня 2007 года . Проверено 6 мая 2006 г.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в качестве заголовка ( ссылка ) (документ в формате pdf, последний доступ 05.06.06) - ^ Краткое описание нескольких применений и особенностей толстопленочных подложек [3]