Porovnanie procesov metalizácie substrátu s povlakom z nitridu hliníka pre IGBT moduly

Po prvé, pri analýze mechanizmu medzifázového spájania sa proces TFC spolieha na zmäkčenie sklenenej fázy, aby sa dosiahlo mechanické vzájomné spojenie a zmáčanie prostredníctvom sieťotlače{0}}medenej pasty a-vysokoteplotného spekania; proces DPC sa primárne spolieha na fyzikálnu adhéziu prostredníctvom naprašovania tenkej vrstvy Ti/Cu a galvanického pokovovania na zahustenie; proces DBC dosahuje metalurgické spojenie reakciou Cu20 a Al203 pri vysokých teplotách za vzniku eutektickej štruktúry; zatiaľ čo proces AMB výrazne zvyšuje pevnosť spojenia vytvorením TiN a iných reaktívnych vrstiev na rozhraní pomocou aktívnej spájky obsahujúcej Ti-. Tento rozdiel v mechanizme metalizačnej keramiky je základným dôvodom diferenciácie výkonu rôznych procesov.

Pokiaľ ide o pevnosť v odlupovaní, proces AMB funguje najlepšie, s pevnosťou medzifázovej väzby dosahujúcou 25 MPa, čo je výrazne vyššia ako u procesov DBC, TFC a DPC. To naznačuje, že v systémoch spájania keramiky-na{3}}kov je zavedenie aktívnych prvkov na podporu medzifázových reakcií dôležitou cestou na zlepšenie účinnosti lepenia. Naproti tomu proces DPC, ktorému chýba účinná metalurgická spojovacia vrstva, má relatívne nízku adhéziu, čo obmedzuje jeho použitie v prostredí s vysokým-záťažom.

Ďalšia analýza z hľadiska spoľahlivosti tepelného cyklovania odhalila významné rozdiely medzi rôznymi substrátmi v podmienkach tepelného šoku v rozsahu od -55 stupňov do 150 stupňov . Substráty DPC zaznamenali delamináciu rozhrania pri relatívne nízkych počtoch cyklov, zatiaľ čo substráty TFC a DBC vykazovali rôzne stupne degradácie pevnosti a mikrotrhlín po miernych počtoch cyklov. Na rozdiel od toho si substrát AMB udržal stabilný výkon po 1500 cykloch, čo sa primárne pripisuje jeho flexibilnej prechodovej vrstve na rozhraní, čo účinne zmierňuje koncentráciu napätia spôsobenú nesúladom tepelnej rozťažnosti. Táto charakteristika má významnú referenčnú hodnotu pre dizajn vysoko pevných metalizovaných keramických komponentov.

Testy cyklovania napájania ďalej zosilnili rozdiely vo výkone medzi rôznymi procesmi. V podmienkach cyklovania až do 1200A/3,3kV by substrát AMB mohol stabilne fungovať viac ako 70 000 cyklov, pričom by si udržal spoľahlivý relatívny tepelný odpor. Substrát DBC začal degradovať po približne 40 000 cykloch, zatiaľ čo substráty TFC a DPC zlyhali v ešte skoršom štádiu. To naznačuje, že v aplikáciách metalizovaného keramického puzdra pre výkonové polovodiče sú stabilita štruktúry rozhrania a schopnosť vyrovnávania tepelného napätia kľúčovými faktormi určujúcimi životnosť.

Z hľadiska strojárskej aplikácie metalizácia substrátov AlN ovplyvňuje nielen elektrický výkon, ale priamo súvisí aj s dlhodobou-spoľahlivosťou obalovej štruktúry. Najmä v oblastiach, ako sú nové energetické vozidlá, železničná doprava a inteligentné siete, dopyt po presnej metalizovanej keramike a metalizovanej keramike pre elektrické komponenty neustále rastie, čo kladie vyššie požiadavky na konzistentnosť a spoľahlivosť procesov.

Okrem toho, kým presné metalizované hliníkové keramické komponenty a hliníková metalizovaná keramika si stále udržujú určitý podiel na trhu vo vysoko{0}}presných aplikáciách, celkové výkonnostné výhody AlN substrátov sú výraznejšie pri vysokovýkonných-scenároch. V kombinácii s technológiou presného obrábania keramických dielov z oxidu hlinitého možno splniť komplexné konštrukčné návrhy a požiadavky na vysoko presné balenie-, čím sa ďalej rozširujú aplikačné hranice materiálov na pokovovanie keramiky.

Celkovo možno povedať, že rôzne procesy pokovovania pre keramiku z oxidu hlinitého alebo nitridu hliníka vykazujú významné rozdiely v štruktúre rozhrania, sile väzby a účinnosti tepelných cyklov. Medzi nimi proces AMB s vynikajúcim mechanizmom metalurgického spájania a schopnosťami vyrovnávania napätia demonštruje jasnú výhodu v aplikáciách s vysokou-spoľahlivosťou. V budúcnosti, keď sa výkonové zariadenia budú vyvíjať smerom k vyšším prúdovým hustotám a náročnejším prevádzkovým podmienkam, optimalizácia metalizovanej keramiky a súvisiacich procesov zostane dôležitým smerom výskumu.