氮化硅AMB基板可改善電力電子產品的性能

轉自：釬焊；作者/來源于：電子技術速遞

目前的電源模塊設計主要是基于氧化鋁(Al2O3)或AlN陶瓷，但不斷增長的性能要求設計師考慮采用先進的基板替代方案。例如，在xEV應用程序中，將芯片溫度從150°C提高到200°C可以降低10%的開關損耗。此外，焊接和無焊線模塊等新型封裝技術正在使目前的基板成為薄弱環(huán)節(jié)。另一個特別重要的驅動因素是在惡劣的條件下使用的風力渦輪機需要延長壽命。風力渦輪機的預期壽命為15年，在所有環(huán)境條件下都不會發(fā)生故障，這使得本應用的設計者也尋找改進的基板技術。

改善基板選擇的第三個驅動因素是SiC組件的新應用。使用SiC和優(yōu)化封裝的第一批模塊與傳統(tǒng)模塊相比，損耗降低了40％到70％，但也提出了對包括氮化硅基板在內的新封裝方法的需求。這些趨勢將限制傳統(tǒng)氧化鋁和AlN基板的應用，而基于氮化硅的基板將是未來高性能電源模塊的設計者的選擇。氮化硅具有優(yōu)良的彎曲強度、高斷裂韌性和良好的導熱性，非常適合電力電子基板。陶瓷的特性以及對局部放電或裂紋擴展等關鍵值的詳細比較表明，對最終基板的導熱性和熱循環(huán)行為等行為有顯著的影響。

氮化硅與其他陶瓷的比較

電力模塊絕緣材料選擇的主要性能是導熱性、彎曲強度和斷裂韌性。高導熱性對功率模塊的快速散熱至關重要。陶瓷基板的彎曲強度對陶瓷基板的承載性能和可用性有重要影響，而斷裂韌性是預測其可靠性的關鍵。

如表1所示，氧化鋁（96％）顯示出低導熱系數(shù)和低機械值。然而，對于當今許多標準工業(yè)應用而言，24 W / mK的導熱系數(shù)已足夠。盡管可靠性不高，但AlN的最大優(yōu)點是具有180 W / mK的極高導熱系數(shù)。這是由于低斷裂韌性和與氧化鋁相似的彎曲強度的結果。近年來對可靠性提高的要求越來越高，促進了ZTA（氧化鋯增韌氧化鋁）陶瓷的發(fā)展。這些陶瓷具有明顯的高彎曲強度和斷裂韌性。遺憾的是，ZTA陶瓷的導熱系數(shù)與標準氧化鋁處于相同的范圍內，因此在功率密度最高的高功率應用中應用有限。比較表明，氮化硅結合了高導熱性和高力學性能。導熱系數(shù)可以規(guī)定為90W / mK，并且它具有最高的斷裂韌性（6,5-7 [MPa /]）。這些特性使作為金屬化基板的氮化硅顯示出高可靠性。

金屬化基板的可靠性

使用無源熱循環(huán)方法對幾種不同的金屬化基板進行了可靠性測試。所有基板組合如表2所示。對于每種組合，使用相同的布局，包括相同的銅厚度d（Cu）= 0.3mm。沒有額外的設計功能，如凹坑或蝕刻，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）

曝光時間15分鐘

加速時間<10秒

用超聲波顯微鏡檢查不同的樣品，以檢測分層和貝殼狀斷口：

Al2O3、HPS9% (ZTA)和AlN DBC每5次循環(huán)后

Si3N4 AMB(活性金屬釬焊)每50次循環(huán)后  

貝殼狀斷口是典型的溫度循環(huán)失效模式，并且在Al2O3、HPS9％和AlN-DBC基板上均有發(fā)現(xiàn)。一般來說，這種擊穿是由于銅和陶瓷在溫度變化時熱膨脹值不同造成的。在熱循環(huán)中，35個循環(huán)的AlN DBC基板的可靠性最低。這一結果可以用陶瓷的最低斷裂韌性(K1C = 3 - 3,4 [MPa /])來解釋。與此結果非常接近的是具有55個循環(huán)的氧化鋁 DBC。HPS9％DBC證明了傳統(tǒng)材料的最佳性能，其可靠性（110次循環(huán)）比標準氧化鋁高兩倍。

在5000次循環(huán)中未檢測到氮化硅 AMB樣品失效。

與HPS9％DBC相比，可靠性可以提高45倍。雖然Si3N4的抗彎強度略低于HPS9% (650 MPa vs. 700 MPa)，但由于Si3N4具有較高的斷裂韌性(K1C = 6,5 - 7 [MPa /])，因此獲得了5000次熱循環(huán)的優(yōu)異結果。這些結果表明，用于制造金屬化基板的陶瓷的彎曲強度并不是基板壽命的關鍵。陶瓷的物理性能是預測其可靠性最重要的指標，而斷裂韌性是預測其可靠性的重要指標。

圖1.幾次熱循環(huán)后HPS9％DBC基板和Si3N4 AMB的失效機理的主要差異。

圖2.經過5000多次循環(huán)后，Si3N4陶瓷材料仍未受損。 

圖1和圖2是在幾個熱循環(huán)后HPS9％DBC基板和Si3N4 AMB的失效機理的主要差異的超聲圖像。雖然我們可以檢測脆性HPS9％陶瓷材料內部的貝殼狀斷口，但Si3N4陶瓷材料經過5000次以上的循環(huán)后仍然沒有損壞。

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