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).

Подложка из меди с прямым соединением (DBC)

Структура медной подложки прямого соединения (вверху) и изолированной металлической подложки (внизу).

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.

Подложка из активной металлической пайки (AMB)

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.

Изолированная металлическая подложка (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 только компоненты 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

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 книге « Термический анализ 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

^ «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 технологиям ICIT'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]

[1] «Технические данные Rogers DBC» (PDF) .

[2] Источник: Hytel Group, производитель меди на керамических подложках. Архивировано 22 февраля 1999 г. на Wayback Machine.

[3] Источник: Curamik, производитель DBC.

[4] Источник: Лю, Синшэн (февраль 2001 г.). «Обработка и оценка надежности паяных соединений силовых чипов». Техническая диссертация Вирджинии [1]

[5] Источник: Лю, Синшэн (февраль 2001 г.). «Обработка и оценка надежности паяных соединений силовых чипов». Техническая диссертация Вирджинии [2]

[6] Источник: компания Bergquist. Архивировано 8 февраля 2006 г. в Wayback Machine.

[7] Источник: AI Technology, Inc. Архивировано 28 сентября 2007 г. на Wayback Machine.

[8] Управление температурным режимом в преобразователях мощности высокой плотности , Мартин Мерц, Международная конференция по промышленным технологиям ICIT'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)

[9] Краткое описание нескольких применений и особенностей толстопленочных подложек [3]

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]