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
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 использованием технологии печатных плат для формирования электрической цепи, в то время как нижний медный слой обычно остается ровным. Подложка прикрепляется к теплораспределителю путем припайки к нему нижнего слоя меди.
Керамический материал, используемый в DBC, включает:
- 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
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
Изолированная металлическая подложка (IMS) состоит из металлической опорной пластины ( обычно используется алюминий из-за его низкой стоимости и плотности), покрытой тонким слоем диэлектрика (обычно слоем на основе эпоксидной смолы) и слоем меди (от 35 мкм до более 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 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 простейших способов обеспечить эффективное охлаждение компонентов для поверхностного монтажа . [5] [6]
Другие субстраты
- 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)
Рекомендации
- ^ Источник: Лю, Синшен (февраль 2001). «Обработка и оценка надежности паяных соединений для микросхем питания». Техническая диссертация Вирджинии [1]
- ^ Источник: Curamik, производитель DBC
- ^ Источник: Лю, Синшен (февраль 2001). «Обработка и оценка надежности паяных соединений для микросхем питания». Техническая диссертация Вирджинии [2]
- ^ Источник: Hytel Group, производитель меди на керамических подложках Архивные 22 февраля 1999 в Wayback Machine
- ↑ Источник: компания Bergquist. Архивировано 8 февраля 2006 г. в Wayback Machine.
- ↑ Источник: AI Technology, Inc. Архивировано 28 сентября 2007 г. в Wayback Machine.
- ^ Управление температурным режимом в преобразователях мощности 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.)
- ^ Краткое описание нескольких применений и особенностей толстопленочных подложек [3]