Композитні підкладки, виготовлені за принципом прямої евтектичною зв'язку оксидів міді і кераміки (так звані DBC - Direct Bonded Copper), є елементом електричної схеми силового модуля, а також електроізолюючим і теплопроводящим шаром між напівпровідниковими кристалами і підставою модуля.

Анотація наукової статті за технологіями матеріалів, автор наукової роботи - Ісламгазіна Ляля, Шульц-Хардер Юрген, Валев Сергій


Область наук:
  • технології матеріалів
  • Рік видавництва: 2004
    Журнал
    Компоненти і Технології
    Наукова стаття на тему 'Критерії вибору підкладок для силових модулів'

    Текст наукової роботи на тему «Критерії вибору підкладок для силових модулів»

    ?Компоненти і технології, № 3'2004

    Критерії вибору підкладок

    для силових модулів

    Композитні підкладки, виготовлені за принципом прямої евтектичною ЗВ'ЯЗКУ оксидів міді і кераміки (так звані DBC - Direct Bonded Copper), є елементом електричної схеми силового модуля, а також електроізолюючим і теплопроводящим шаром між напівпровідниковими кристалами і підставою модуля.

    е-

    Ляля Ісламгазіна

    Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. Юрген Шульц-Хардер

    Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. Сергій Валев

    Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Зростаючий попит на силові напівпровідникові модулі високої потужності, високої надійності і прийнятної вартості обумовлений безперервно ринком, що розвивається силових перетворювальних пристроїв: приводів, систем управління енергоспоживанням (системи «smart power»), джерел безперебійного живлення, імпульсних джерел живлення, електричних транспортних засобів і т. Д.

    Основні вимоги, що пред'являються до закінченого силовому модулю - мінімальні габарити і низька вартість матеріалів і процесу виробництва в поєднанні з високими технічними характеристиками, стійкістю до впливів навколишнього середовища і практично абсолютної безотказностью. Конструкція сучасного модуля повинна забезпечувати мінімальні значення перехідних теплових опорів і розподілених індуктивностей силових шин в поєднанні з високою напругою ізоляції. На рис. 1 представлений стандартний силовий модуль.

    За типом конструкції силові модулі можна умовно розбити на 2 типу: паяні з ізольованим

    підставою і модулі пріжімноі конструкції. В обох випадках чіпи (ЮБТ, Біб і т. Д.) Припаиваются на керамічну підкладку, що грає роль електроізолюючого і теплопроводящей шару між напівпровідниковими кристалами і підставою-теплоотводом.

    Кераміка є одним з найпоширеніших ізоляційних матеріалів. Широке застосування керамічних матеріалів пояснюється їх високими механічними та електричними свої ствами, недіфузіонностью вихідних матеріалів, сравнітельноі простотоі технології виготовлення, невисокоі вартістю виробі. Кераміка негігроскопічна, термостійка. Механічна міцність на стиск, розтяг, вигин достатня для практичного використання. У вітчизняній промисловості використовують алюміноксід (95-98% окису алюмінію), електрокорунд (99% А1203), стеатит, брокер (97% окису берилію), титанати (тікондовая і термокондовая кераміка), а також кераміки, до складу яких входять високотверді карбід бору , окис цирконію та інші матеріали.

    При виготовленні силових модулів для забезпечення безвідмовності і високої напруги ізоляції, а також мінімальних значень перехідних теплових опорів використовуються керамічні підкладки на основі оксиду алюмінію А1203, нітриду алюмінію АШ і оксиду Беріл Бео з мідним шаром по обидва боки керамічної пластини.

    Область застосування нітриду алюмінію в світі ширше, ніж оксиду берилію. Технологія отримання берилієвою кераміки визнана шкідливою для навколишнього середовища, і цей матеріал в даний час практично не використовується. До того ж кераміка з АШ ближче за коефіцієнтом теплового розширення до кремнію, основі більшості кристалів, що застосовуються в силовій електроніці, ніж кераміка з Бео. Це робить підкладки на основі нітриду алюмінію кращими з технічної точки зору.

    Компоненти і технології, № 3'2004

    Таблиця 1. Властивості проводять складів паст

    | I

    Ґ ^ 1 Рис. 2. Товстоплівкові підкладка з багатошаровими мідними провідниками

    Одиниця Склад пасти

    вимірювання Ag Pt / Au Pd / Au Pt / Pd / Au Au Pd / Ag

    Питомий опір Ом / квадрат 0,005 0,05-0,12 0,05-0,1 0,08-0,1 0,003-0,01 0,04

    ТКС х10-6, ° С-1 3000 450 600 - - -

    Температура вжигания ° С 500-850 875-1000 900-975 760-1000 850-1000 690-760

    Для отримання шару металу на поверхні кераміки традиційно використовується гібридна (як тонкоплівкова, так і товстоплівкова) технологія. На рис. 2 представлена ​​підкладка типового Товстоплівкові силового модуля перетворювача напруги.

    Метод толстопленочной технології полягає в нанесенні проводять паст на кераміку методом трафаретного друку (шовкографії) з подальшим вжіганіем при температурах 650-1050 ° С. Паста являє собою сплав або суміш двох і більше порошків металів і склоподібного речовини, що створює при вжигания необхідну електричну і механічну зв'язок між провідними частинками металу. Провідні пасти часто виготовляють з використанням благородних металів, так як останні хімічно інертні і відрізняються гарною електропровідністю і здатністю до пайки і зварювання, сумісністю з матеріалом підкладки; опором до старіння і міграції під дією електричного поля і навколишнього середовища; стабільністю параметрів протягом тривалого часу. Промислово застосовуються також пасти на основі міді. Плівки після вжигания зазвичай містять близько 15% склоподібного сполучного - суміш бората кадмію або бората кадмію-натрію з тре-хокісью вісмуту. Щільна і дуже рухлива трехокись вісмуту у вжігается пасті створює підвищену адгезію, в той час як борат кадмію покращує процес пайки. Властивості проводять складів паст наведені в таблиці 1.

    Методом толстопленочной технології за одне вжигание можна досягти товщини провідного шару від 5 до 50 мкм. Методом послідовного вжигания декількох шарів (наприклад, пасти на основі міді) можна отримати шари товщиною до 150 мкм.

    Обмеженнями в застосуванні толстопленочной технології для силової електроніки є:

    • низька електропровідність і більший питомий опір Товстоплівкові провідника в порівнянні з чистими металами;

    • рихлість провідного шару і низька стійкість його до дії температур, хімічних речовин і вологи;

    • неоднорідність електричних і фізичних властивостей провідника;

    • мінливість властивостей паст від якості сировини і численних виробничих факторів.

    Тонко плівкова технологія полягає в осадженні різних матеріалів з парообразной фази способом високочастотного розпилення в вакуумі. Для кращої адгезії мідь або алюміній товщиною до 5 мкм наносять на подслой хрому або інших металів, таких, як ніхром, вольфрам, титан, молібден з товщиною шару 0,03-0,05 мкм. Для запобігання від хімічної реакції плівки покривають золотом або нікелем.

    Таким чином, недоліки технічного і комерційного характеру обмежують застосування гібридної технології модулями, розрахованими на струми нижче 50 А, а також Несерійні виробами спеціального призначення.

    За способом отримання товстого мідного шару на керамічних пластинах, придатного для ефективної роботи з струмами понад 50 А і напругою 1-4 кВ, розрізняють технології AMB (Active Metal Braze) і DBC (Direct Bonded Copper). AMB є комбінованою технологією, в якій необхідний товстий шар провідника досягається гальванічної металізацією попередньо отриманих тонкоплівкових провідників. Така технологія дозволяє досягти чудовою адгезії і електричних властивостей кінцевої підкладки. Однак вона має обмежене застосування, перш за все в силу складності і дорожнечі технологічного процесу.

    На думку авторів, оптимальним поєднанням технічних і комерційних переваг для виробництва силових модулів мають підкладки, виготовлені за технологією DBC. Така підкладка являє собою пластину з кераміки Al2O3 або AlN, покриту з двох сторін фольгою з безкисневої міді. З'єднання досягається за рахунок евтектичною зв'язку, що утворюється при високотемпературній обробці в тунельної печі між молекулами оксиду міді і оксиду алюмінію (в разі кераміки з нітриду алюмінію його поверхню попередньо окислюється). Як правило, нижній шар (суцільний або сітчастий) служить для з'єднання підкладки з теплоотводом, верхній утворює необхідну топологію електричної схеми модуля і забезпечує електричне з'єднання силових ключів, силових і керуючих висновків. З'єднання силових (емітери IGBT і катоди FRD) і керуючих висновків напівпровідникових кристалів з контактними майданчиками підкладки здійснюється за допомогою алюмінієвого дроту ультразвукової зварюванням.

    Товщина керамічної основи підкладки може бути різна, залежить від пропонованих до виробу вимог і варіюється від

    0,25 до 1 мм. Залежно від призначення,

    мідний шар може мати товщину від О, 127 до О, З мм. Крім чистої міді, підкладки можуть мати один з трьох варіантів фінішного покриття: нікель (товщиною 2-10 мкм), золото (товщиною 0,01-0,1З мкм) або комбінація «нікель - золото». Для отримання фінішного покриття використовується метод хімічного осадження.

    На вітчизняному ринку матеріал, що володіє перерахованими вище характеристиками, представляє фірма curamik® electronics (Німеччина), розробник і найбільший виробник DBC-підкладок в світі. З 2001 року представництво curamik® electronics в Росії здійснює Mozaik Technology Ventures.

    Розглянемо характеристики та способи отримання фірмою curamik мідного шару на керамічних пластинах на основі оксиду алюмінію і нітриду алюмінію.

    Варіанти комбінацій товщини мідного шару і підкладки приведені в таблиці 2. Таблиця 2. Варіанти комбінацій товщини мідного шару і підкладки

    Товщина керамічної підкладки з Al2O3, мм 0,127 см про 5 рах 0, зі про про 0,, 5 0,

    0,25 X X X (X) **

    0,38 X X X X (X) ** (X) **

    0,63 * X X X X X X

    0,78 X X X X X X

    1 X X X X X X

    * Комбінація можлива з керамікою з А№

    ** тільки кераміка А ^ Оз, легована цирконієм (НА)

    Технологічні властивості БВС-підкладок наведені в таблиці 3.

    Таблиця 3. Технологічні властивості керамічних підкладок

    Спосіб нанесення металізації DBC DBC AMB- підкладки

    Склад кераміки AI2O3, AIN BeO AIN

    Провідний шар мідь мідь мідь

    Товщина провідного шару 127 ... 600 мкм 200.400 мкм 200.400 мкм

    Теплопровідність, W / mK 24 (AI2O3) 180 (AIN) 250 180

    Коефіцієнт температурного розширення 7.1 (AI2O3) 4.1 (AIN) 8,5 4,1

    В процесі роботи силової напівпровідниковий прилад відчуває циклічні зміни температури. Через них матеріали багатошарової конструкції модуля з різними КТР (коефіцієнтами теплового розширення) отримують високі механічні напруги і стреси, які з плином часу (число термоциклов) ведуть до погіршення термоконтакту між шарами.

    Компоненти і технології, № 3'2004

    Таблиця 4. Параметри матеріалів, використовуваних при виробництві силових модулів

    Матеріал Коефіцієнт температурного розширення, (ppm / K) Теплопро- водність, (W / mK)

    А1И - нітрид алюмінію 3,3 150-190

    А12О3 - оксид алюмінію 5,5-7 25-35

    ВЕО - брокери 6,3 260

    $ 1С - карбід кремнію 3,7 390

    Алмаз 0,8-2 1000-2000

    А1 - алюміній 23 150-220

    Сі - мідь 17 400

    $ 1 - кремній 3,3 150

    Мо - молібден 4,8 135

    Ре-М - інвар 3,1 11

    Ре-И1-Со - ковар 5,3 17

    Різні параметри матеріалів, використовуваних при виробництві силових модулів, наведені в таблиці 4.

    В результаті численних термоциклов відмінності КТР міді і керамічної підкладки

    (ДКТРА1203-Сі = 11,5 і ДКТРАМ-Сі = 13,7) в кінцевому рахунку призведуть до утворення в кераміці так званих «конкоідальних» тріщин, паралельних поверхні підкладки. Міцність евтектичною зв'язку А1203 і Сі02 така, що при цьому не відбувається відшарування мідного шару від кераміки, проте порушується теплопередача, що в кінцевому підсумку призведе до відмови модуля. Підкладки на основі АШ мають теплопровідність і КТР ближче до кремнієвим кристалів, ніж підкладки на основі А1203. Це обумовлює велику стійкість перших до термоцік-лирование і їх застосування в модулях більшої електричної потужності, призначених для залізничної техніки та інших пристроїв, які відчувають сильні термічні навантаження. Однак дорожнеча нітриду алюмінію прийнятного якост-

    ства змусила розробника шукати альтернативні рішення для забезпечення стійкості до термоциклювання. Оскільки основні механічні напруги при термо-циклировании виникають по контуру широких мідних провідників, завдання полягало в оптимізації профілю контура. Ідеальним варіантом для зняття механічних напружень був би профіль, у якого зріз мідного шару розташований не перпендикулярно, а під гострим кутом до поверхні кераміки. Однак таке завдання вирішувалася б тільки шляхом збільшення вартості технологічного процесу. Альтернативним рішенням, розробленим і запатентованим сігатк® electronics, є використання «Dimple» - подтравливания рядів конічних ямок по периметру або в кутах широких мідних провідників (рис. 3). Технологія Dimples дозволяє збільшити стійкість звичайних підкладок до термоциклювання в середньому в 50 разів.

    Фахівцями curamik® electronics розроблений ряд унікальних рішень в області корпусування і зборки силових модулів на основі DBC-підкладок. Так, замість традиційної технології пайки клемних висновків до мідної поверхні DBC-підкладки пропонується використовувати інтегровані клеми. Процес полягає в тому, що клеми спочатку є частиною загального мідного шару підкладки. Шляхом селективної ізоляції мідної фольги від поверхні кераміки, відповідного попереднього скрайбування керамічних заготовок і ряду інших прийомів клемні висновки модуля заданих геометричних розмірів отримують безпосередньо при виробництві підкладки. Таким чином, виключається паяні з'єднання клем і досягається висока надійність конструкції.

    У процесі складання отримані мідні клеми можуть бути довільно відформовані (рис. 4). Альтернативно розроблений процес зварювання контактних майданчиків на БВС-під-ложці з вивідний рамкою.

    При необхідності герметизації і полегшення модуля (перш за все для застосування в аерокосмічній галузі) виготовляються БВС-підкладки з жорстко закріпленими корпусами з ковара і ізольованими в склі металевими висновками. Для забезпечення електричних зв'язків між мідними шарами в керамічної пластині можливе виготовлення перехідних отворів діаметром до 1-2 мм.

    Розробляється технологія отримання топології високого дозволу на БВС-під-ложках, що дозволить встановлювати на одну підкладку і силові, і логічні компоненти з дрібним кроком (рис. 5). Для запобігання розтікання припою і освіти перемичок на відповідальних ділянках проводиться нанесення стандартної захисної маски.

    Компоненти і технології, № 3'2004

    Процес DBC застосовується і для створення багатошарових МІКРОКОМ-нальних рідинних охолоджувачів, які знайшли широке застосування в створенні лінійок лазерних діодів, теплоотводов особливо потужних модулів спеціального застосування, теплоотводов для високочастотних мікропроцесорів. Водяне охолодження базової підкладки модуля здатне збільшити величину тепловідведення на порядок.

    Вибір типу керамічної підкладки суто індивідуальний і залежить від призначення кінцевого виробу, його потужності і умов експлуатації. Фахівці curamik® electronics, ЗАТ «Протон-Імпульс» та Mozaik Technology Ventures готові надати інформаційну підтримку при виборі матеріалів і технології виготовлення силових модулів. ММ

    література

    1. J.Kath. Specification of curamik DBC - Substates. Curamik Electronics. 2001.

    2. Флорещев С. Н. Силова електроніка початку тисячоліття // Електротехніка. 2003. № 6.

    3. Колпаков А. SKiiP - інтелектуальні силові модулі IGBT фірми Semicron // Компоненти та Технології. 2003. № 1.

    4. Кадиків Г. Н., Фонарьов Г. С., Хвостиков В. Д. та ін. Матеріали для виробництва виробів електронної техніки. М .: Вища школа. 1987.

    5. Борисенко А. С., Бавикін Н. І. Технологія і обладнання для виробництва мікроелектронних пристроїв. М .: Машинобудування. тисячу дев'ятсот вісімдесят три.

    6. Panzer C., Hierholzer M., Dr. Bayerer R. Power Semiconductor Modules for Automotive Applications // PCIM Europe. 2002. № 6.

    7. Schmitt T. AlSiC composites as a base material for high power // PCIM Europe. 2000. № 6.

    8. Dr. Ing. Shulz-Harder J., Dr. Exel K. The new standard for direct bonded coper substrates // PCIM Europe. 2000. № 4.

    9. Dr. Exel K., Haberl P., Maier P. H. Ready for take-off: DBC on Al for Power Semiconductors // PCIM Europe. 1999. № 11.


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити