Оскільки глобальний перехід до електромобілів і відновлюваних джерел енергії прискорюється, попит на більш потужну, ефективну та надійну силову електроніку ніколи не був таким великим. В основі цих систем лежить критично важливий компонент, який має витримувати екстремальні температурні цикли, високу напругу та суворі умови експлуатації: підкладка модуля живлення. Для менеджерів із закупівель та інженерів-конструкторів, які прагнуть створювати перетворювачі електроенергії наступного покоління, керамічні підкладки з активним паянням металу (AMB), зокрема ті, що виготовлені з нітриду кремнію (Si₃N₄) і нітриду алюмінію (AlN), стали передовою технологією. У цій статті пояснюється, чому підкладки AMB стають незамінними для модулів з карбіду кремнію (SiC) і вдосконалених модулів IGBT.
Перевага AMB: поза традиційним склеюванням
Активна пайка металу (AMB) — це прогресивний процес металізації, який створює металургійний зв’язок між міддю та керамікою за допомогою реактивної пайки фольги, що містить активні елементи, такі як титан (Ti). На відміну від традиційної міді з прямим склеюванням (DBC) , яка базується на оксидному зв’язку, AMB утворює хімічний зв’язок, який за своєю суттю є міцнішим і надійнішим, особливо з керамікою, яку важко з’єднати, як-от нітрид кремнію.
Чому AMB краще для високонадійних програм:
- Вища міцність з’єднання: міцність на відрив зазвичай перевищує 80 Н/см порівняно з 15-25 Н/см для DBC, що практично усуває ризик розшарування.
- Чудові термоциклічні характеристики: здатність витримувати >5000 циклів (від -55°C до 150°C), значно перевищуючи DBC у складних автомобільних і промислових середовищах.
- Чудовий контроль пустот: процес вакуумної пайки зводить до мінімуму пустоти на межі мідь-кераміка, забезпечуючи оптимальну теплопередачу.
- Сумісність із Advanced Ceramics: дозволяє використовувати високоефективну кераміку, як-от Si₃N₄, яку важко або неможливо склеїти з DBC.
Вибір правильної кераміки: Si₃N₄ проти AlN AMB
Вибір між Si₃N₄ та AlN як керамічною основою для підкладок AMB залежить від конкретних завдань вашого застосування. Обидва мають переваги перед традиційними підкладками з оксиду алюмінію (Al₂O₃) .
Нітрид кремнію (Si₃N₄) AMB: Чемпіон міцності
Підкладки Si₃N₄ AMB відмінно підходять для застосувань, де механічна надійність під час екстремальних навантажень є найважливішою.
- Надзвичайна міцність на руйнування: 6-8 МПа·м¹/² (порівняно з 3-4 для Al₂O₃) забезпечує виняткову стійкість до розповсюдження тріщин.
- Чудова відповідність КТР для SiC: 3,2 ppm/K для Si₃N₄ проти 3,7 ppm/K для SiC, мінімізуючи термомеханічну напругу в модулях живлення WBG.
- Висока міцність на вигин: >900 МПа, що робить його в 3-5 разів міцнішим за Al₂O3.
- Ідеально підходить для: автомобільних тягових інверторів (особливо для архітектур 800 В), промислових приводів із високим рівнем вібрації та аерокосмічних енергетичних систем.
Наша покрита міддю Si₃N₄ AMB підкладка для модулів SiC розроблена спеціально для цих вимогливих застосувань.
Нітрид алюмінію (AlN) AMB: лідер у теплових характеристиках
Підкладки AlN AMB віддають перевагу максимальному розсіюванню тепла для застосувань з найвищою щільністю потужності.
- Чудова теплопровідність: 170-200 Вт/м·K (порівняно з ~25 Вт/м·K для Al₂O₃ і ~90 Вт/м·K для Si3N₄).
- Хороша відповідність CTE: 4,5 ppm/K, все ще забезпечує розумну відповідність SiC і відмінну відповідність GaN.
- Відмінна електроізоляція: висока діелектрична міцність і низькі діелектричні втрати.
- Ідеально підходить для: модулів надвисокої щільності потужності, радіочастотних підсилювачів потужності та додатків, де керування температурою є основним обмеженням.
Наша керамічна підкладка з нітриду алюмінію AMB, покрита міддю, забезпечує такі чудові теплові характеристики.
Основні домени додатків
Субстрати AMB є передовими технологіями в багатьох швидкозростаючих секторах:
- Силові агрегати для електромобілів: головні інвертори, перетворювачі постійного струму та бортові зарядні пристрої, зокрема для архітектур 800 В із використанням SiC MOSFET.
- Відновлювані джерела енергії: сонячні інвертори та перетворювачі енергії вітру, де довгострокова надійність у зовнішньому середовищі має вирішальне значення.
- Промислові моторні приводи: потужні частотно-регулювальні приводи (VFD) для виробництва, гірничої промисловості та систем HVAC.
- Залізничний транспорт: тягові перетворювачі для електропоїздів і трамваїв.
- Джерела безперебійного живлення (UPS): високонадійні центри обробки даних і промислові резервні системи живлення.
5 важливих міркувань щодо джерела підкладок AMB
Дані про надійність і історія польових характеристик
Запитуйте вичерпні звіти про циклічні випробування (наприклад, відповідно до автомобільного стандарту AQG324) і дані про випробування на термічний удар . Для автомобільних застосувань переконайтеся, що постачальник має досвід проведення необхідних кваліфікаційних випробувань і може надати дані про надійність у польових умовах із подібних застосувань.
Якість і консистенція матеріалу
Продуктивність підкладок AMB значною мірою залежить від якості кераміки. Переконайтеся, що постачальник використовує якісні керамічні матеріали високої чистоти із сертифікованими властивостями. Для Si₃N₄ перевірте значення в'язкості руйнування; для AlN підтвердити вимірювання теплопровідності. Цей рівень якості подібний до того, який вимагається для інших критично важливих електронних керамічних виробів .
Аналіз цілісності зв’язку та пустот
Інтерфейс AMB bond повинен бути практично бездефектним. Попросіть зображення ультразвукового сканування (C-Scan), які показують розподіл пустот. Прийнятний відсоток пустот повинен бути нижче 1-2% для автомобільних матеріалів. Також перевірте результати тесту на міцність на відрив (>80 Н/см типово для високоякісного AMB).
Підтримка дизайну та можливість налаштування
Конструкції силових модулів вузькоспеціалізовані. Оцініть, чи може постачальник надати комплексні послуги OEM/ODM , включаючи нестандартні форми підкладки, складні візерунки на міді, інтегровані термічні переходи та допомогу в тепловому та механічному моделюванні. Їх здатність працювати з вашими конкретними вимогами до дизайну DBC або AMB є надзвичайно важливою.
Стійкість ланцюга постачання та відповідність вимогам автомобільного законодавства
Для автомобільного застосування перевірте сертифікацію IATF 16949. Оцініть виробничі потужності постачальника для масштабування з урахуванням ваших вимог до обсягу та його стратегії постачання сировини. Вертикально інтегрований виробник, який контролює виробництво кераміки та процеси металізації, як правило, забезпечує кращу послідовність і надійність поставок.
Галузеві тенденції та технологічні драйвери
Перехід до 800 В EV архітектури та широкозонних напівпровідників
Перехід автомобільної промисловості на системи 800 В для забезпечення швидшої зарядки та підвищення ефективності стимулює впровадження пристроїв живлення з SiC. Ці пристрої працюють при вищих температурах і частотах перемикання, що робить чудові теплові та механічні властивості підкладок Si₃N₄ AMB необхідними для надійності.
Попит на більш високу щільність потужності та мініатюризацію
Поштовх до менших, більш потужних модулів вимагає підкладок, які можуть працювати з більшою щільністю струму та тепловими потоками. Технологія AMB підтримує більш товсті шари міді (до 2 мм) для високої пропускної здатності по струму, зберігаючи чудові теплові характеристики кераміки.
Інтеграція та передові технології упаковки
Зростає інтерес до інтеграції додаткових функцій у модуль живлення, включаючи драйвери воріт і датчики. Це стимулює інновації в дизайні підкладки, потенційно поєднуючи AMB для силових пристроїв з технологією DPC для схем керування з дрібним кроком на одній підкладці.
Найкращі методи обробки та інтеграції
Щоб забезпечити оптимальну продуктивність підкладок AMB у ваших модулях живлення:
- Захист від електростатичного розряду: завжди обробляйте підкладки в безпечному для електростатичного розряду середовищі, щоб запобігти пошкодженню чутливих напівпровідникових пристроїв під час збирання.
- Правильне очищення: очистіть основи відповідними розчинниками (IPA) перед прикріпленням матриці, щоб видалити будь-які забруднення, які можуть вплинути на склеювання.
- Управління термоінтерфейсом: прикріплюючи підкладку до радіатора, використовуйте відповідні термоінтерфейсні матеріали (TIM) і забезпечте рівномірний тиск, щоб мінімізувати термічний опір.
- Уникайте механічних навантажень: не піддавайте основи вигину чи крученню під час транспортування чи складання, оскільки кераміка є крихкою.
- Умови зберігання: Зберігайте в сухому чистому середовищі, щоб запобігти окисленню мідних поверхонь або забрудненню.
Відповідні галузеві стандарти та кваліфікація
Підкладки AMB для силових модулів повинні відповідати суворим промисловим стандартам:
- AQG 324: Керівництво щодо «Кваліфікації силових модулів для використання в перетворювальних блоках силової електроніки в автомобілях» — фактичний стандарт для автомобільних силових модулів.
- IEC 60747 / IEC 62047: Стандарти для напівпровідникових пристроїв і мікроелектромеханічних пристроїв, що стосуються упаковки та перевірки надійності.
- Стандарти JEDEC: такі як JESD22 для методів перевірки надійності (теплові цикли, цикли живлення).
- ISO 16750: Дорожні транспортні засоби. Умови навколишнього середовища та випробування електричного та електронного обладнання.
- UL 94: Стандарт горючості пластикових матеріалів, важливий для загальної безпеки модуля.
Часті запитання (FAQ)
З: Коли ми повинні вибрати Si₃N₄ AMB замість AlN AMB?
Відповідь: обирайте Si₃N₄ AMB, якщо головною проблемою є механічна надійність за екстремальних температурних циклів або в середовищах із високою вібрацією (наприклад, автомобільні інвертори тяги). Його чудова в’язкість до руйнування та чудова відповідність CTE SiC роблять його ідеальним для цих умов. Виберіть AlN AMB , коли максимальне розсіювання тепла є пріоритетом для проектів з дуже високою щільністю потужності, особливо якщо використовуються пристрої GaN або працюють на надзвичайно високих частотах.
З: Які типові варіанти товщини міді для підкладок AMB?
A: Технологія AMB підтримує широкий діапазон товщини міді, як правило, від 0,3 мм до 2,0 мм. Стандартні пропозиції часто включають конфігурації 0,3 мм/0,3 мм (верхній/нижній) або 0,8 мм/0,3 мм. Більш товста мідь забезпечує вищу пропускну здатність по струму, але може вимагати коригування конструкції для витравлювання більш тонких деталей. Спеціальні комбінації товщини часто доступні через служби OEM/ODM .
З: Як порівнюється вартість AMB з DBC?
Відповідь: Підкладки AMB зазвичай у 1,5–3 рази дорожчі за еквівалентні підкладки DBC через більш складний процес вакуумної пайки та часто дорожчу кераміку (Si₃N₄, AlN проти Al₂O₃). Однак для застосувань, де надійність має вирішальне значення (автомобільна, аерокосмічна, промислова), загальна вартість володіння (TCO) часто нижча через значно довший термін служби, скорочення гарантійних претензій і вищу ефективність системи завдяки кращим тепловим характеристикам.
Питання: Чи можна використовувати підкладки AMB для високочастотних радіочастот?
A: Так, особливо підкладки AlN AMB . Чудова теплопровідність AlN у поєднанні з його хорошими діелектричними властивостями (низький тангенс втрат) робить його придатним для високопотужних радіочастотних застосувань. Товсті шари міді, які можна досягти за допомогою AMB, також сприяють конструкціям радіочастот, зменшуючи втрати в провіднику. Для найвимогливіших радіочастотних схем технологія DPC може бути кращою за її кращі можливості, але AMB пропонує переваги для вищих рівнів потужності.
Ключові можливості, яких варто шукати в постачальника AMB
Вибір правильного партнера для підкладки AMB вимагає оцінки кількох важливих можливостей:
- Вертикальна інтеграція: контроль над процесами формування, формування, спікання та металізації керамічного порошку забезпечує послідовність і відстежуваність.
- Сучасне виробниче обладнання: включаючи вакуумні паяльні печі з точним контролем температури та атмосфери, розширеними можливостями нанесення візерунків і травлення, а також комплексні системи контролю (ультразвукове сканування, рентген тощо).
- Експертиза в галузі матеріалознавства: глибоке розуміння властивостей кераміки, складу припою та їх взаємодії під час термічної та механічної напруги.
- Управління якістю: такі сертифікати, як IATF 16949 для автомобільної промисловості, ISO 9001 і надійний контроль процесів за допомогою статистичних методів.
- Інженерна підтримка додатків: можливість спільно працювати над тепловим і механічним проектуванням, надавати підтримку моделювання та допомагати в аналізі несправностей.
