Výkonový elektronický substrát - Power electronic substrate

Úlohou substrátu ve výkonové elektronice je zajistit propojení pro vytvoření elektrického obvodu (jako deska s plošnými spoji ) a chlazení komponent. Ve srovnání s materiály a technikami používanými v mikroelektronice s nižším výkonem musí tyto substráty přenášet vyšší proudy a poskytovat izolaci vyššího napětí (až několik tisíc voltů). Musí také pracovat v širokém teplotním rozsahu (až 150 nebo 200 ° C).

Přímo spojený měděný substrát

Struktura měděného substrátu s přímou vazbou (nahoře) a izolovaného kovového substrátu (dole).

Přímo vázané měděné (DBC) substráty se běžně používají v napájecích modulech , protože mají velmi dobrou tepelnou vodivost . Skládají se z keramických dlaždic (obvykle oxidu hlinitého ) s vrstvou mědi spojenou na jedné nebo obou stranách vysokoteplotním oxidačním procesem (měď a substrát se zahřívají na pečlivě regulovanou teplotu v atmosféře dusíku obsahující asi 30 ppm kyslíku; za těchto podmínek se tvoří eutektikum měď-kyslík, které se úspěšně váže jak na měď, tak na oxidy používané jako substráty). Horní měděnou vrstvu lze před vypalováním předem vytvarovat nebo chemicky vyleptat pomocí technologie desek s tištěnými spoji za vzniku elektrického obvodu, zatímco spodní měděná vrstva je obvykle ponechána hladká. Substrát je připevněn k rozdělovači tepla pájením spodní měděné vrstvy.

Keramický materiál používaný v DBC zahrnuje:

  • Alumina (Al 2 O 3 ), která je široce používána kvůli svým nízkým nákladům. Není to však opravdu dobrý tepelný vodič (24-28 W/mK) a je křehký.
  • Nitrid hliníku (AlN), který je dražší, ale má mnohem lepší tepelný výkon (> 150 W/mK).
  • Oxid berylnatý (BeO), který má dobrý tepelný výkon, ale často se mu vyhýbá kvůli jeho toxicitě při požití nebo vdechnutí prášku.

Jednou z hlavních výhod substrátů DBC je jejich nízký koeficient tepelné roztažnosti , který se blíží křemíku (ve srovnání s čistou mědí ). Tím je zajištěn dobrý tepelný cyklus (až 50 000 cyklů). Substráty DBC mají také vynikající elektrickou izolaci a dobré vlastnosti šíření tepla.

Související technika využívá zárodečnou vrstvu, fotoobrazování a následné dodatečné měděné pokovování, které umožňuje spojení jemných linek (až 50 mikrometrů) a průchozích spojů přední a zadní strany. To lze kombinovat s obvody na bázi polymerů a vytvořit tak substráty s vysokou hustotou, které eliminují potřebu přímého připojení energetických zařízení k chladičům.

Aktivní kovový pájený substrát

Další technologií pro připevnění silných kovových vrstev na keramické desky je technologie AMB (active metal braze). Tímto způsobem je kovová fólie připájena ke keramice pomocí pájecí pasty a vysoké teploty (800 ° C - 1000 ° C). Samotný proces vyžaduje vakuum. Přestože je AMB elektricky velmi podobný DBC, je vhodný pouze pro malé výrobní šarže.

Izolovaný kovový substrát

Izolovaný kovový substrát (IMS) se skládá z kovové základní desky ( hliník se běžně používá kvůli nízkým nákladům a hustotě) pokryté tenkou vrstvou dielektrika (obvykle vrstva na bázi epoxidu) a vrstvou mědi (35 μm až více než Tloušťka 200 μm). FR-4 na bázi dielektrika je obvykle tenká (přibližně 100 um), protože má špatnou tepelnou vodivost ve srovnání s keramiky používané v DBC substráty.

IMS je díky své struktuře jednostranný substrát, tj. Pojme pouze součásti na měděné straně. Ve většině aplikací je základní deska připevněna k chladiči k zajištění chlazení, obvykle pomocí tepelného maziva a šroubů. Některé substráty IMS jsou k dispozici s měděnou základní deskou pro lepší tepelné výkony.

Ve srovnání s klasickou deskou s plošnými spoji poskytuje IMS lepší odvod tepla. Je to jeden z nejjednodušších způsobů, jak zajistit účinné chlazení součástí pro povrchovou montáž .

Jiné substráty

  • Když jsou napájecí zařízení připojena ke správnému chladiči , není potřeba tepelně účinný substrát. Lze použít materiál klasických desek s plošnými spoji (PCB) (tato metoda se obvykle používá s technologickými součástmi s průchozími otvory ). To platí také pro aplikace s nízkým výkonem (od několika miliwattů do několika wattů), protože desku plošných spojů lze tepelně vylepšit použitím tepelných průchodek nebo širokých kolejí ke zlepšení proudění . Výhodou této metody je, že vícevrstvé DPS umožňuje návrh komplexních obvodů, zatímco DBC a IMS jsou většinou jednostranné technologie.
  • Flexibilní podklady lze použít pro aplikace s nízkým výkonem. Protože jsou konstruovány s použitím Kaptona jako dielektrika, mohou odolat vysokým teplotám a vysokému napětí. Jejich vnitřní flexibilita je činí odolnými vůči poškození tepelným cyklem .
  • Keramické podklady ( technologie silných vrstev ) lze také použít v některých aplikacích (například v automobilovém průmyslu), kde je spolehlivost nejdůležitější. Ve srovnání s DCB nabízí technologie silných filmů vyšší stupeň volnosti návrhu, ale může být méně nákladově efektivní.


  • Tepelné vlastnosti IMS, DBC a silnovrstvého substrátu jsou hodnoceny v termální analýze vysoce výkonných modulů Van Godbold, C., Sankaran, VA a Hudgins, JL, IEEE Transactions on Power Electronics, sv. 12, č. 1, leden 1997, strany 3–11, ISSN 0885-8993 [4] (omezený přístup)

Reference

  1. ^ Zdroj: Liu, Xingsheng (únor 2001). „Zpracování a posouzení spolehlivosti propojení pájeného spoje pro napájecí čipy“. Disertační práce Virginia Tech [1]
  2. ^ Zdroj: Curamik, výrobce DBC
  3. ^ Zdroj: Liu, Xingsheng (únor 2001). „Zpracování a posouzení spolehlivosti propojení pájeného spoje pro napájecí čipy“. Disertační práce Virginia Tech [2]
  4. ^ Zdroj: Hytel Group, výrobce mědi na keramických substrátech Archivováno 22. února 1999 na Wayback Machine
  5. ^ Zdroj: Společnost Bergquist archivována 8. února 2006 na Wayback Machine
  6. ^ Zdroj: AI Technology, Inc Archivováno 28. září 2007 na Wayback Machine
  7. ^ Thermal Management in High-Density Power Converters , Martin März, International Conference on Industrial Technology ICIT'03 Maribor, Slovinsko, 10. – 12. Prosince 2003 „Archivovaná kopie“ (PDF) . Archivováno z originálu (PDF) dne 13. června 2007 . Vyvolány 6 May 2006 .CS1 maint: archivovaná kopie jako název ( odkaz ) (dokument pdf, poslední přístup 6. 6. 2006)
  8. ^ Rychlá prezentace několika aplikací a vlastností silných filmových substrátů [3]