當(dāng)今的電源模塊設(shè)計(jì)主要基于氧化鋁 (Al2O3) 或 AlN 陶瓷，但不斷增長的性能需求促使設(shè)計(jì)人員考慮先進(jìn)的基板替代方案。xEV 應(yīng)用中的一個(gè)例子是，將芯片溫度從 150°C 升高到 200°C，開關(guān)損耗可降低 10%。此外，焊接和免焊線模塊等新型封裝技術(shù)正在使當(dāng)前的基板成為薄弱環(huán)節(jié)。

另一個(gè)特別重要的重要驅(qū)動因素是在惡劣條件下（例如風(fēng)力渦輪機(jī)）需要延長使用壽命。風(fēng)力渦輪機(jī)的預(yù)期使用壽命為 15 年，在所有環(huán)境條件下都不會出現(xiàn)故障，因此該應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員也尋求改進(jìn)的基板技術(shù)。

改進(jìn)襯底選擇的第三個(gè)驅(qū)動因素是碳化硅元件的新興使用。與傳統(tǒng)模塊相比，首批使用 SiC 和優(yōu)化封裝的模塊顯示損耗減少了 40% 至 70%，但也提出了對新封裝方法（包括 Si3N4 基板）的需求。所有這些趨勢都將限制傳統(tǒng)Al2O3和AlN基板的未來作用，而基于Si3N4的基板將成為設(shè)計(jì)人員未來高性能功率模塊的選擇。

優(yōu)異的彎曲強(qiáng)度、高斷裂韌性和良好的導(dǎo)熱性使氮化硅（Si3Ni4）非常適合電力電子基板。陶瓷的特性以及局部放電或裂紋擴(kuò)展等關(guān)鍵值的詳細(xì)比較表明，對最終基材的行為（如導(dǎo)熱率和熱循環(huán)行為）有重大影響。

Si3N4與其他陶瓷的比較

功率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)熱率對于功率模塊的快速散熱至關(guān)重要。彎曲強(qiáng)度對于陶瓷基板在封裝過程中的處理和可用性非常重要，而斷裂韌性是預(yù)測可靠性的關(guān)鍵。

表1

如表 1 所示，Al2O3 (96%) 表現(xiàn)出低熱導(dǎo)率和低機(jī)械值。然而，24 W/mK 的導(dǎo)熱率足以滿足當(dāng)今的許多標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)應(yīng)用。AlN 的一大優(yōu)點(diǎn)是具有 180 W/mK 的極高導(dǎo)熱率，盡管其可靠性較差。這是由于斷裂韌性較低且彎曲強(qiáng)度與 Al2O3 相似的結(jié)果。

對更高可靠性的日益增長的需求最近刺激了ZTA（氧化鋯增韌氧化鋁）陶瓷的發(fā)展。這些陶瓷表現(xiàn)出明顯更高的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性。遺憾的是，ZTA 陶瓷的熱導(dǎo)率與標(biāo)準(zhǔn) Al2O3 的熱導(dǎo)率范圍相同，因此在具有最高功率密度的高功率應(yīng)用中的使用受到限制。

比較表明，Si3N4 兼具高導(dǎo)熱性和高機(jī)械性能。導(dǎo)熱系數(shù)可以指定為 90 W/mK，并且具有比較陶瓷中最高的斷裂韌性 (6,5 – 7 [MPa / ])。這些特性使得人們期望 Si3N4 作為金屬化襯底將表現(xiàn)出最高的可靠性。

金屬化基板的可靠性

使用被動熱循環(huán)方法測試了幾種不同的金屬化基板的可靠性。所有基板組合如表 2 所示。對于每種組合，都使用相同的布局，包括相同的銅厚度 d(Cu) = 0.3 mm。沒有額外的設(shè)計(jì)特征（例如凹痕或階梯蝕刻）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

通過超聲波顯微鏡檢查不同的樣品以檢測分層和貝殼狀斷裂：

?Al2O3、HPS9% (ZTA) 和 AlN DBC 每 5 個(gè)循環(huán)后

?Si3N4 AMB（活性金屬釬焊）每 50 個(gè)循環(huán)后

表2

貝殼狀斷裂是溫度循環(huán)中的典型失效模式，在 Al2O3、HPS9% 和 AlN -DBC 基材上檢測到。一般來說，這種擊穿是由于銅和陶瓷在溫度變化過程中熱膨脹值不同而出現(xiàn)的。

AlN DBC 基板的熱循環(huán)可靠性最低，循環(huán)次數(shù)為 35 次。這一結(jié)果可以通過陶瓷的最低測量斷裂韌性 (K1C = 3 - 3,4 [MPa / ]) 來解釋。與此結(jié)果非常接近的是 Al2O3 DBC，其循環(huán)次數(shù)為 55 個(gè)。HPS9% DBC 展示了傳統(tǒng)材料的最佳性能，其可靠性（110 次循環(huán)）比標(biāo)準(zhǔn) Al2O3 高出兩倍。

Si3N4 AMB 樣品在 5000 次循環(huán)后未檢測到任何故障。與 HPS9% DBC 相比，可靠性可提高 45 倍。盡管彎曲強(qiáng)度略低于 HPS9%（650 MPa 與 700 MPa），但由于 Si3N4 的高斷裂韌性（K1C = 6,5 - 7 [MPa / ]），5000 次熱循環(huán)仍取得了優(yōu)異的結(jié)果。

這些結(jié)果表明，用于構(gòu)建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。對于預(yù)測可靠性最重要的陶瓷物理特性似乎是斷裂韌性。

圖 1. HPS9% DBC 基板和 Si3N4 AMB 在幾次熱循環(huán)后失效機(jī)制的主要區(qū)別。

圖 2. Si3N4 陶瓷材料在超過 5000 次循環(huán)后仍未損壞。

圖1和圖2顯示了HPS9％DBC基板和Si3N4 AMB在多次熱循環(huán)后失效機(jī)制主要差異的超聲圖像。雖然我們可以在脆性 HPS9% 陶瓷材料內(nèi)部檢測到貝殼狀斷裂，但 Si3N4 陶瓷材料在超過 5000 次循環(huán)后仍然沒有損壞。

基板的熱性能

測量了五組不同的金屬化基板樣品的熱阻率 (Rth)。

圖 1 顯示了我們的熱阻測試結(jié)果。用于此 Rth 分析的所有樣本均在兩側(cè)均鍍有 0.3 mm 銅層。正如預(yù)期的那樣，使用 0.63 mm Al2O3 的基板顯示出最高的 Rth。這是由于 Al2O3 的導(dǎo)熱系數(shù)較低 (24W/mK) 造成的。

圖 1：我們的熱阻率測試結(jié)果。

0.32 mm HPS 9% DBC 和 0.32 mm Al2O3 DBC 的 Rth 在相同范圍內(nèi)。

盡管使用了 0.63 mm 厚的陶瓷層，但 AlN DBC 的熱導(dǎo)率最高為 180 W/mK，但 Rth 最低。

Si3N4 的熱導(dǎo)率 (90W/mK) 是 AlN 的一半，這解釋了為什么 Si3N4 AMB 通過使用一半的陶瓷厚度（Si3N4 為 0.32 mm，而 AlN 為 0.63 mm）而顯示出與 AlN DBC 相似的 Rth。

電源模塊的生命周期更長

高強(qiáng)度 Si3N4 絕緣材料可以實(shí)現(xiàn)功率模塊對更長生命周期和更高熱性能的日益增長的需求。

調(diào)查表明，與傳統(tǒng)的 HPS9% DBC 陶瓷材料相比，使用 Si3N4 AMB（活性金屬釬焊）技術(shù)的 Si3N4 可靠性提高了 50 倍。Si3N4 陶瓷具有較高的機(jī)械性能，特別是其極高的斷裂韌性 (K1C)，有助于提高其可靠性。此外，Si3N4 更高的強(qiáng)度使其能夠以更薄的橫截面使用，從而使其具有與 AlN 相當(dāng)?shù)臒嵝阅堋?/span>

【文章來源】：展至科技

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