氮化硅AMB基板可改善電力電子產(chǎn)品的性能

轉(zhuǎn)自：釬焊；作者/來源于：電子技術(shù)速遞

目前的電源模塊設(shè)計(jì)主要是基于氧化鋁(Al2O3)或AlN陶瓷，但不斷增長的性能要求設(shè)計(jì)師考慮采用先進(jìn)的基板替代方案。例如，在xEV應(yīng)用程序中，將芯片溫度從150°C提高到200°C可以降低10%的開關(guān)損耗。此外，焊接和無焊線模塊等新型封裝技術(shù)正在使目前的基板成為薄弱環(huán)節(jié)。另一個(gè)特別重要的驅(qū)動(dòng)因素是在惡劣的條件下使用的風(fēng)力渦輪機(jī)需要延長壽命。風(fēng)力渦輪機(jī)的預(yù)期壽命為15年，在所有環(huán)境條件下都不會(huì)發(fā)生故障，這使得本應(yīng)用的設(shè)計(jì)者也尋找改進(jìn)的基板技術(shù)。

改善基板選擇的第三個(gè)驅(qū)動(dòng)因素是SiC組件的新應(yīng)用。使用SiC和優(yōu)化封裝的第一批模塊與傳統(tǒng)模塊相比，損耗降低了40％到70％，但也提出了對(duì)包括氮化硅基板在內(nèi)的新封裝方法的需求。這些趨勢將限制傳統(tǒng)氧化鋁和AlN基板的應(yīng)用，而基于氮化硅的基板將是未來高性能電源模塊的設(shè)計(jì)者的選擇。氮化硅具有優(yōu)良的彎曲強(qiáng)度、高斷裂韌性和良好的導(dǎo)熱性，非常適合電力電子基板。陶瓷的特性以及對(duì)局部放電或裂紋擴(kuò)展等關(guān)鍵值的詳細(xì)比較表明，對(duì)最終基板的導(dǎo)熱性和熱循環(huán)行為等行為有顯著的影響。

氮化硅與其他陶瓷的比較

電力模塊絕緣材料選擇的主要性能是導(dǎo)熱性、彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性。高導(dǎo)熱性對(duì)功率模塊的快速散熱至關(guān)重要。陶瓷基板的彎曲強(qiáng)度對(duì)陶瓷基板的承載性能和可用性有重要影響，而斷裂韌性是預(yù)測其可靠性的關(guān)鍵。

如表1所示，氧化鋁（96％）顯示出低導(dǎo)熱系數(shù)和低機(jī)械值。然而，對(duì)于當(dāng)今許多標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)應(yīng)用而言，24 W / mK的導(dǎo)熱系數(shù)已足夠。盡管可靠性不高，但AlN的最大優(yōu)點(diǎn)是具有180 W / mK的極高導(dǎo)熱系數(shù)。這是由于低斷裂韌性和與氧化鋁相似的彎曲強(qiáng)度的結(jié)果。近年來對(duì)可靠性提高的要求越來越高，促進(jìn)了ZTA（氧化鋯增韌氧化鋁）陶瓷的發(fā)展。這些陶瓷具有明顯的高彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性。遺憾的是，ZTA陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)氧化鋁處于相同的范圍內(nèi)，因此在功率密度最高的高功率應(yīng)用中應(yīng)用有限。比較表明，氮化硅結(jié)合了高導(dǎo)熱性和高力學(xué)性能。導(dǎo)熱系數(shù)可以規(guī)定為90W / mK，并且它具有最高的斷裂韌性（6,5-7 [MPa /]）。這些特性使作為金屬化基板的氮化硅顯示出高可靠性。

金屬化基板的可靠性

使用無源熱循環(huán)方法對(duì)幾種不同的金屬化基板進(jìn)行了可靠性測試。所有基板組合如表2所示。對(duì)于每種組合，使用相同的布局，包括相同的銅厚度d（Cu）= 0.3mm。沒有額外的設(shè)計(jì)功能，如凹坑或蝕刻，來提高可靠性。測試條件定義如下：

2室測試系統(tǒng)

dT = 205 K（-55°C至+ 150°C）

曝光時(shí)間15分鐘

加速時(shí)間<10秒

用超聲波顯微鏡檢查不同的樣品，以檢測分層和貝殼狀斷口：

Al2O3、HPS9% (ZTA)和AlN DBC每5次循環(huán)后

Si3N4 AMB(活性金屬釬焊)每50次循環(huán)后  

貝殼狀斷口是典型的溫度循環(huán)失效模式，并且在Al2O3、HPS9％和AlN-DBC基板上均有發(fā)現(xiàn)。一般來說，這種擊穿是由于銅和陶瓷在溫度變化時(shí)熱膨脹值不同造成的。在熱循環(huán)中，35個(gè)循環(huán)的AlN DBC基板的可靠性最低。這一結(jié)果可以用陶瓷的最低斷裂韌性(K1C = 3 - 3,4 [MPa /])來解釋。與此結(jié)果非常接近的是具有55個(gè)循環(huán)的氧化鋁 DBC。HPS9％DBC證明了傳統(tǒng)材料的最佳性能，其可靠性（110次循環(huán)）比標(biāo)準(zhǔn)氧化鋁高兩倍。

在5000次循環(huán)中未檢測到氮化硅 AMB樣品失效。

與HPS9％DBC相比，可靠性可以提高45倍。雖然Si3N4的抗彎強(qiáng)度略低于HPS9% (650 MPa vs. 700 MPa)，但由于Si3N4具有較高的斷裂韌性(K1C = 6,5 - 7 [MPa /])，因此獲得了5000次熱循環(huán)的優(yōu)異結(jié)果。這些結(jié)果表明，用于制造金屬化基板的陶瓷的彎曲強(qiáng)度并不是基板壽命的關(guān)鍵。陶瓷的物理性能是預(yù)測其可靠性最重要的指標(biāo)，而斷裂韌性是預(yù)測其可靠性的重要指標(biāo)。

圖1.幾次熱循環(huán)后HPS9％DBC基板和Si3N4 AMB的失效機(jī)理的主要差異。

圖2.經(jīng)過5000多次循環(huán)后，Si3N4陶瓷材料仍未受損。 

圖1和圖2是在幾個(gè)熱循環(huán)后HPS9％DBC基板和Si3N4 AMB的失效機(jī)理的主要差異的超聲圖像。雖然我們可以檢測脆性HPS9％陶瓷材料內(nèi)部的貝殼狀斷口，但Si3N4陶瓷材料經(jīng)過5000次以上的循環(huán)后仍然沒有損壞。

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