Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Роль подложки в силовой электронике заключается в обеспечении межсоединений для формирования электрической цепи (например, печатной платы ) и в охлаждении компонентов. По сравнению с материалами и технологиями, используемыми в маломощной микроэлектронике , эти подложки должны выдерживать 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).

Медная подложка с прямым соединением [ править ]

Структура из медной подложки с прямым соединением (вверху) и изолированной металлической подложки (внизу).

Подложки из меди с прямым соединением (DBC) обычно используются в силовых модулях из-за их очень хорошей теплопроводности . Они состоят из керамической плитки (обычно оксида алюминия ) с листом меди, прикрепленным к одной или обеим сторонам с помощью процесса высокотемпературного окисления (медь и подложка нагреваются до тщательно контролируемой температуры в атмосфере азота, содержащей около 30 частей на миллион). кислорода; в этих условиях образуется эвтектика медь-кислород, которая успешно связывается как с медью, так и с оксидами, используемыми в качестве подложек). Верхний медный слой может быть предварительно сформирован перед обжигом или подвергнут химическому травлению с помощью печатной платы.технологии для формирования электрической цепи, при этом нижний медный слой обычно остается ровным. Подложка прикрепляется к теплораспределителю путем припайки к нему нижнего слоя меди.

Керамические материалы, используемые в DBC, включают:

  • Глинозем (Al 2 O 3 ), который широко используется из-за его низкой стоимости. Однако это не очень хороший теплопроводник (24-28 Вт / мК) и хрупкий. [1]
  • Нитрид алюминия (AlN), который дороже, но имеет гораздо лучшие тепловые характеристики (> 150 Вт / мК).
  • Оксид бериллия (BeO), который имеет хорошие тепловые характеристики, но его часто избегают из-за его токсичности при проглатывании или вдыхании порошка.

Одним из основных преимуществ подложек DBC является их низкий коэффициент теплового расширения , близкий к кремнию (по сравнению с чистой медью ). Это обеспечивает хорошие характеристики термоциклирования (до 50 000 циклов). [2] Подложки DBC также обладают отличной электроизоляцией и хорошими характеристиками теплопередачи. [3]

В родственной технике используется затравочный слой, фотоизображение, а затем дополнительное медное покрытие для создания тонких линий (размером до 50 микрометров) и сквозных переходных отверстий для соединения передней и задней сторон. Это можно комбинировать со схемами на основе полимеров для создания подложек с высокой плотностью, исключающих необходимость прямого подключения силовых устройств к радиаторам. [4]

Активная металлическая паяная подложка [ править ]

Другой технологией прикрепления толстых металлических слоев к керамическим пластинам является технология AMB (пайка активного металла). С помощью этого процесса металлическая фольга припаивается к керамике с использованием [ необходимо уточнение ] паяльной пасты и высокой температуры (800 ° C - 1000 ° C). Сам процесс требует вакуума. Таким образом, хотя AMB электрически очень похож на DBC, он подходит только для небольших производственных партий.

Изолированная металлическая подложка [ править ]

Изолированная металлическая подложка (IMS) , состоит из металлической плиты основания ( алюминий обычно используется из -за его низкой стоимости и плотности) , покрытый тонким слоем диэлектрика (обычно на основе эпоксидной смолы слой) и слой меди (35 мкм до более чем Толщиной 200 мкм). FR-4 основанный диэлектрик, как правило , тонкий (около 100 мкм) , поскольку он имеет низкую теплопроводность по сравнению с керамикой , используемой в DBC субстратах.

Из-за своей структуры IMS представляет собой одностороннюю подложку, то есть она может размещать компоненты только на медной стороне. В большинстве случаев основание крепится к радиатору для обеспечения охлаждения, обычно с помощью термопасты и винтов. Некоторые IMS подложки доступны с медной плитой основанием 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 для поверхностного монтажа . [5] [6]

Другие субстраты [ править ]

  • Когда силовые устройства прикреплены к подходящему радиатору , нет необходимости в термически эффективной подложке. Можно использовать классические материалы для печатных плат (PCB) (этот метод обычно используется с компонентами сквозной технологии ). Это также верно для приложений с низким энергопотреблением (от нескольких милливатт до нескольких ватт), поскольку печатная плата может быть термически усилена с помощью тепловых переходных отверстий 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 в основном являются односторонними технологиями. [7]
  • Гибкие подложки можно использовать для приложений с низким энергопотреблением. Поскольку они построены с использованием каптона в качестве диэлектрика, они могут выдерживать высокие температуры и высокое напряжение. Их внутренняя гибкость делает их устойчивыми к повреждениям при термоциклировании .
  • Керамические подложки ( технология толстой пленки ) также могут использоваться в некоторых приложениях (например, в автомобилестроении), где надежность имеет первостепенное значение. [8] По сравнению с DCB, толстопленочная технология предлагает большую свободу проектирования, но может быть менее рентабельной.


  • Тепловые характеристики IMS, DBC и толстопленочной подложки оцениваются в Термическом анализе высокомощных модулей Van Godbold, C., Sankaran, VA и Hudgins, JL, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 12, N ° 1, январь 1997 г., страницы 3–11, ISSN 0885-8993 [4] (ограниченный доступ)

Ссылки [ править ]

  1. ^ Источник: Лю, Синшен (февраль 2001). «Обработка и оценка надежности паяных соединений для микросхем питания». Техническая диссертация Вирджинии [1]
  2. ^ Источник: Curamik, производитель DBC
  3. ^ Источник: Лю, Синшен (февраль 2001). «Обработка и оценка надежности паяных соединений для микросхем питания». Техническая диссертация Вирджинии [2]
  4. ^ Источник: Hytel Group, производитель меди на керамических подложках Архивные 22 февраля 1999 в Wayback Machine
  5. ↑ Источник: компания Bergquist. Архивировано 8 февраля 2006 г. в Wayback Machine.
  6. ↑ Источник: AI Technology, Inc. Архивировано 28 сентября 2007 г. в Wayback Machine.
  7. ^ Управление температурным режимом в преобразователях энергии высокой плотности , Мартин Марц, Международная конференция по промышленным технологиям ICIT'03, Марибор, Словения, 10–12 декабря 2003 г. « Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 13 июня 2007 года . Проверено 6 мая 2006 года .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка ) (документ в формате pdf, последний доступ 6 мая 2006 г.)
  8. ^ Краткое описание нескольких применений и особенностей толстопленочных подложек [3]