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氮化硅基板可改善电力电子产品的性能

Rogers Germany GmbH公司Manfred Goetz 2019-06-11

目前的电源模块设计主要是基于氧化铝(Al2O3)或AlN陶瓷,但不断增长的性能要求设计师考虑采用先进的基板替代方案。例如,在xEV应用程序中,将芯片温度从150°C提高到200°C可以降低10%的开关损耗。此外,焊接和无焊线模块等新型封装技术正在使目前的基板成为薄弱环节。另一个特别重要的驱动因素是在恶劣的条件下使用的风力涡轮机需要延长寿命。风力涡轮机的预期寿命为15年,在所有环境条件下都不会发生故障,这使得本应用的设计者也寻找改进的基板技术。6u2电子头条

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改善基板选择的第三个驱动因素是SiC组件的新应用。使用SiC和优化封装的第一批模块与传统模块相比,损耗降低了40%到70%,但也提出了对包括氮化硅基板在内的新封装方法的需求。这些趋势将限制传统氧化铝和AlN基板的应用,而基于氮化硅的基板将是未来高性能电源模块的设计者的选择。氮化硅具有优良的弯曲强度、高断裂韧性和良好的导热性,非常适合电力电子基板。陶瓷的特性以及对局部放电或裂纹扩展等关键值的详细比较表明,对最终基板的导热性和热循环行为等行为有显著的影响。6u2电子头条

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氮化硅与其他陶瓷的比较6u2电子头条

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电力模块绝缘材料选择的主要性能是导热性、弯曲强度和断裂韧性。高导热性对功率模块的快速散热至关重要。陶瓷基板的弯曲强度对陶瓷基板的承载性能和可用性有重要影响,而断裂韧性是预测其可靠性的关键。6u2电子头条

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如表1所示,氧化铝(96%)显示出低导热系数和低机械值。然而,对于当今许多标准工业应用而言,24 W / mK的导热系数已足够。尽管可靠性不高,但AlN的最大优点是具有180 W / mK的极高导热系数。这是由于低断裂韧性和与氧化铝相似的弯曲强度的结果。近年来对可靠性提高的要求越来越高,促进了ZTA(氧化锆增韧氧化铝)陶瓷的发展。这些陶瓷具有明显的高弯曲强度和断裂韧性。遗憾的是,ZTA陶瓷的导热系数与标准氧化铝处于相同的范围内,因此在功率密度最高的高功率应用中应用有限。比较表明,氮化硅结合了高导热性和高力学性能。导热系数可以规定为90W / mK,并且它具有最高的断裂韧性(6,5-7 [MPa /])。这些特性使作为金属化基板的氮化硅显示出高可靠性。6u2电子头条

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金属化基板的可靠性6u2电子头条

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使用无源热循环方法对几种不同的金属化基板进行了可靠性测试。所有基板组合如表2所示。对于每种组合,使用相同的布局,包括相同的铜厚度d(Cu)= 0.3mm。没有额外的设计功能,如凹坑或蚀刻,来提高可靠性。测试条件定义如下:6u2电子头条

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2室测试系统6u2电子头条

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dT = 205 K(-55°C至+ 150°C)6u2电子头条

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曝光时间15分钟6u2电子头条

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加速时间<10秒6u2电子头条

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用超声波显微镜检查不同的样品,以检测分层和贝壳状断口:6u2电子头条

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Al2O3、HPS9% (ZTA)和AlN DBC每5次循环后6u2电子头条

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Si3N4 AMB(活性金属钎焊)每50次循环后6u2电子头条

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贝壳状断口是典型的温度循环失效模式,并且在Al2O3、HPS9%和AlN-DBC基板上均有发现。一般来说,这种击穿是由于铜和陶瓷在温度变化时热膨胀值不同造成的。在热循环中,35个循环的AlN DBC基板的可靠性最低。这一结果可以用陶瓷的最低断裂韧性(K1C = 3 - 3,4 [MPa /])来解释。与此结果非常接近的是具有55个循环的氧化铝 DBC。HPS9%DBC证明了传统材料的最佳性能,其可靠性(110次循环)比标准氧化铝高两倍。6u2电子头条

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在5000次循环中未检测到氮化硅 AMB样品失效。与HPS9%DBC相比,可靠性可以提高45倍。虽然Si3N4的抗弯强度略低于HPS9% (650 MPa vs. 700 MPa),但由于Si3N4具有较高的断裂韧性(K1C = 6,5 - 7 [MPa /]),因此获得了5000次热循环的优异结果。这些结果表明,用于制造金属化基板的陶瓷的弯曲强度并不是基板寿命的关键。陶瓷的物理性能是预测其可靠性最重要的指标,而断裂韧性是预测其可靠性的重要指标。6u2电子头条

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图1.几次热循环后HPS9%DBC基板和Si3N4 AMB的失效机理的主要差异。6u2电子头条

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图2.经过5000多次循环后,Si3N4陶瓷材料仍未受损。 6u2电子头条

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图1和图2是在几个热循环后HPS9%DBC基板和Si3N4 AMB的失效机理的主要差异的超声图像。虽然我们可以检测脆性HPS9%陶瓷材料内部的贝壳状断口,但Si3N4陶瓷材料经过5000次以上的循环后仍然没有损坏。6u2电子头条

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基板的热性能6u2电子头条

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对五组不同的金属化基体样品进行了热电阻率(Rth)测试。图表1为热阻测试结果。所有用于Rth分析的试样均在两侧镀0.3 mm铜层。正如预期的,使用0.63 mm Al2O3的基板Rth最高。这是由于Al2O3 (24W/mK)导热系数低造成的。 6u2电子头条

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图表1:我们的热阻测试结果。 6u2电子头条

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0.32mm HPS 9%DBC和0.32mm Al2O3 DBC的Rth在相同范围内。尽管使用0.63 mm厚的陶瓷层,但导热系数最高为180W/mK的AlN DBC具有最低的Rth。Si3N4(90W/mK)的导热系数是AlN的一半,这也解释了Si3N4 AMB使用了陶瓷厚度的一半(Si3N4为0.32 mm, AlN为0.63 mm)的原因,从而显示出与AlN DBC相似的Rth。6u2电子头条

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电源模块的使用寿命更长6u2电子头条

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使用高强度Si3N4绝缘材料可以实现电力模块对更长寿命周期和更高热性能的需求。研究表明,与传统的HPS9%DBC陶瓷材料相比,使用Si3N4AMB(活性金属钎焊)技术,Si3N4的可靠性提高了50倍。Si3N4陶瓷的较高力学性能,特别是其非常高的断裂韧性(K1C)有助于提高其可靠性。此外,Si3N4更高的强度使其可以使用更薄的横截面并且可以具有与AlN相当的热性能。6u2电子头条

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