Kraftelektroniskt substrat

Substratets i kraftelektronik roll är att tillhandahålla sammankopplingarna för att bilda en elektrisk krets (som ett tryckt kretskort ) och att kyla komponenterna. Jämfört med material och tekniker som används i mikroelektronik med lägre effekt måste dessa substrat bära högre strömmar och ge en högre spänningsisolering (upp till flera tusen volt). De måste också fungera över ett brett temperaturområde (upp till 150 eller 200 °C).

Direkt bunden koppar (DBC) substrat

Struktur av ett direkt bundet kopparsubstrat (överst) och ett isolerat metallsubstrat (botten).

DBC-substrat används ofta i kraftmoduler på grund av deras mycket goda värmeledningsförmåga . De är sammansatta av en kakel av keramiskt material med en kopparskiva bunden till ena eller båda sidorna genom en högtemperaturoxidationsprocess (kopparn och substratet värms upp till en noggrant kontrollerad temperatur i en atmosfär av kväve som innehåller cirka 30 ppm syre; under dessa förhållanden bildas ett koppar-syre-eutektikum som binder framgångsrikt både till koppar och de oxider som används som substrat). Det övre kopparskiktet kan förformas före bränning eller kemiskt etsas med användning av kretskortsteknik för att bilda en elektrisk krets, medan det undre kopparskiktet vanligtvis hålls slätt. Substratet fästs på en värmespridare genom att löda det nedre kopparskiktet på det.

En relaterad teknik använder ett frölager, fotoavbildning och sedan ytterligare kopparplätering för att möjliggöra fina linjer (så små som 50 mikrometer) och genomgående kanaler för att ansluta fram- och baksidorna. Detta kan kombineras med polymerbaserade kretsar för att skapa substrat med hög densitet som eliminerar behovet av direkt anslutning av kraftenheter till kylflänsar.

En av de främsta fördelarna med DBC jämfört med andra kraftelektroniska substrat är deras låga värmeutvidgningskoefficient, som är nära den för kisel (jämfört med ren koppar ). Detta säkerställer goda termiska cykelprestanda (upp till 50 000 cykler). DBC-substraten har också utmärkt elektrisk isolering och goda värmespridningsegenskaper.

Keramiskt material som används i DBC inkluderar:

Aluminiumoxid (Al ₂ O ₃ ), som vanligtvis används på grund av dess låga kostnad. Det är dock ingen riktigt bra värmeledare (24-28 W/mK) och är skör.
Aluminiumnitrid (AlN), som är dyrare, men har mycket bättre termisk prestanda (> 150 W/mK).
Kiselnitrid (SiN) (90 W/mK)
HPS (aluminiumoxid med 9 % ZrO ₂ -dopad) (26 W/mK)
Berylliumoxid (BeO), som har bra termisk prestanda, men som ofta undviks på grund av dess toxicitet när pulvret intas eller inandas.

Active Metal Brazed (AMB) substrat

AMB består av en metallfolie lödd till den keramiska bottenplattan med lödpasta och hög temperatur (800 °C – 1000 °C) under vakuum. Även om AMB är elektriskt mycket lik DBC, är den vanligtvis lämpad för små produktionspartier på grund av de unika processkraven.

Isolerat metallsubstrat (IMS)

IMS består av en bottenplatta av metall ( aluminium används vanligtvis på grund av dess låga kostnad och densitet) täckt av ett tunt lager av dielektrikum (vanligtvis ett epoxibaserat lager) och ett lager av koppar (35 μm till mer än 200 μm tjockt). Det FR-4 -baserade dielektrikumet är vanligtvis tunt (ca 100 μm) eftersom det har dålig värmeledningsförmåga jämfört med keramerna som används i DBC-substrat.

På grund av sin struktur är IMS ett enkelsidigt substrat, dvs det kan endast ta emot komponenter på kopparsidan. I de flesta applikationer är bottenplattan fäst vid en kylfläns för att ge kylning, vanligtvis med hjälp av termiskt fett och skruvar. Vissa IMS-substrat finns tillgängliga med en bottenplatta av koppar för bättre termisk prestanda.

Jämfört med ett klassiskt kretskort ger IMS en bättre värmeavledning. Det är ett av de enklaste sätten att ge effektiv kylning till ytmonterade komponenter .

Andra substrat

När kraftenheterna är anslutna till en ordentlig kylfläns , finns det inget behov av ett termiskt effektivt substrat. Klassiskt tryckt kretskort (PCB) material kan användas (denna metod används vanligtvis med genomgående teknologikomponenter ). Detta gäller även för lågeffektapplikationer (från några milliwatt till några watt), eftersom kretskortet kan förbättras termiskt genom att använda termiska vior eller breda spår för att förbättra konvektion . En fördel med denna metod är att flerlagers PCB tillåter design av komplexa kretsar, medan DBC och IMS mestadels är enkelsidiga teknologier.

Flexibla substrat kan användas för applikationer med låg effekt. Eftersom de är byggda med Kapton som dielektrikum kan de motstå höga temperaturer och höga spänningar. Deras inneboende flexibilitet gör dem resistenta mot termiska cyklingsskador .
Keramiska substrat ( tjockfilmsteknologi ) kan också användas i vissa applikationer (som bilindustrin) där tillförlitlighet är av högsta vikt. Jämfört med DCB erbjuder tjockfilmsteknologi en högre grad av designfrihet men kan vara mindre kostnadseffektiv.

Den termiska prestandan hos IMS, DBC och tjockfilmssubstrat utvärderas i termisk analys av högeffektsmoduler Van Godbold, C., Sankaran, VA och Hudgins, JL, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 12, N° 1, Jan 1997, pages 3–11, ISSN 0885-8993 [4] (begränsad tillgång)

^ "Rogers DBC-datablad" (PDF) .
^ Källa: Hytel Group, tillverkare av koppar på keramiska substrat Arkiverad 22 februari 1999 på Wayback Machine
^ Källa: Curamik, tillverkare av DBC
^ Källa: Liu, Xingsheng (februari 2001). "Bearbetning och tillförlitlighetsbedömning av lödfogsammankoppling för kraftchips". Virginia Tech-avhandling [1]
^ Källa: Liu, Xingsheng (februari 2001). "Bearbetning och tillförlitlighetsbedömning av lödfogsammankoppling för kraftchips". Virginia Tech Dissertation [2]
^ Källa: The Bergquist company Arkiverad 8 februari 2006 på Wayback Machine
^ Källa: AI Technology, Inc Arkiverad 28 september 2007 på Wayback Machine
^ Termisk ledning i High-Density Power Converters , Martin März, internationell konferens om industriell teknologi ICIT'03 Maribor, Slovenien, 10–12 december 2003 "Arkiverad kopia" (PDF) . Arkiverad från originalet (PDF) den 13 juni 2007 . Hämtad 6 maj 2006 . {{ citera webben }} : CS1 underhåll: arkiverad kopia som titel ( länk ) (pdf-dokument, senast tillgängligt 6/5/06)
^ Snabb presentation av flera applikationer och egenskaper hos tjockfilmssubstraten [3]

[1] "Rogers DBC-datablad" (PDF) .

[2] Källa: Hytel Group, tillverkare av koppar på keramiska substrat Arkiverad 22 februari 1999 på Wayback Machine

[3] Källa: Curamik, tillverkare av DBC

[4] Källa: Liu, Xingsheng (februari 2001). "Bearbetning och tillförlitlighetsbedömning av lödfogsammankoppling för kraftchips". Virginia Tech-avhandling [1]

[5] Källa: Liu, Xingsheng (februari 2001). "Bearbetning och tillförlitlighetsbedömning av lödfogsammankoppling för kraftchips". Virginia Tech Dissertation [2]

[6] Källa: The Bergquist company Arkiverad 8 februari 2006 på Wayback Machine

[7] Källa: AI Technology, Inc Arkiverad 28 september 2007 på Wayback Machine

[8] Termisk ledning i High-Density Power Converters , Martin März, internationell konferens om industriell teknologi ICIT'03 Maribor, Slovenien, 10–12 december 2003 "Arkiverad kopia" (PDF) . Arkiverad från originalet (PDF) den 13 juni 2007 . Hämtad 6 maj 2006 . {{ citera webben }} : CS1 underhåll: arkiverad kopia som titel ( länk ) (pdf-dokument, senast tillgängligt 6/5/06)

[9] Snabb presentation av flera applikationer och egenskaper hos tjockfilmssubstraten [3]