Comparație între procesele de metalizare a substratului placat cu cupru cu nitrură de aluminiu pentru modulele IGBT

În primul rând, analizând mecanismul de lipire interfacială, procesul TFC se bazează pe înmuierea fazei de sticlă pentru a obține interblocarea mecanică și lipirea prin umezire prin pastă de cupru imprimată cu ecran-și sinterizarea la temperatură-înaltă; procesul DPC se bazează în primul rând pe aderența fizică prin pulverizarea unui strat subțire de Ti/Cu și galvanizarea pentru îngroșare; procesul DBC realizează legături metalurgice prin reacția Cu₂O și Al₂O₃ la temperaturi ridicate pentru a forma o structură eutectică; în timp ce procesul AMB îmbunătățește semnificativ rezistența de legare prin formarea unui TiN și a altor straturi reactive la interfață folosind lipitură activă care conține Ti-. Această diferență în mecanismul ceramicii de metalizare este motivul fundamental pentru diferențierea performanței diferitelor procese.

În ceea ce privește rezistența la exfoliere, procesul AMB funcționează cel mai bine, cu o rezistență interfacială de legare care atinge 25 MPa, semnificativ mai mare decât procesele DBC, TFC și DPC. Acest lucru indică faptul că, în sistemele de legare ceramică-la{-metal, introducerea elementelor active pentru a promova reacțiile interfaciale este o cale importantă pentru îmbunătățirea performanței lipirii. În schimb, procesul DPC, lipsit de un strat de lipire metalurgică eficient, are o aderență relativ scăzută, limitându-și aplicarea în medii de-solicitare ridicată.

O analiză ulterioară dintr-o perspectivă a fiabilității ciclului termic a evidențiat diferențe semnificative între diferitele substraturi în condiții de șoc termic, variind de la -55 de grade la 150 de grade. Substraturile DPC au prezentat delaminare a interfeței la un număr relativ scăzut de cicluri, în timp ce substraturile TFC și DBC au prezentat grade diferite de degradare a rezistenței și microfisuri după numărări moderate de cicluri. În schimb, substratul AMB și-a menținut performanța stabilă după 1500 de cicluri, în principal atribuite stratului său flexibil de tranziție de la interfață, atenuând eficient concentrația de stres cauzată de nepotrivirea expansiunii termice. Această caracteristică are o valoare de referință semnificativă pentru proiectarea componentelor ceramice metalizate de înaltă rezistență.

Testele de ciclizare a puterii au amplificat și mai mult diferențele de performanță dintre diferite procese. În condiții de ciclism de până la 1200 A/3,3 kV, substratul AMB ar putea funcționa stabil timp de peste 70.000 de cicluri, menținând o rezistență termică relativă fiabilă. Substratul DBC a început să se degradeze după aproximativ 40.000 de cicluri, în timp ce substraturile TFC și DPC au eșuat într-un stadiu chiar mai devreme. Acest lucru indică faptul că, în aplicațiile carcasei din ceramică metalizată pentru semiconductori de putere, stabilitatea structurii interfeței și capacitatea de tamponare a stresului termic sunt factori cheie care determină durata de viață.

Din perspectiva unei aplicații de inginerie, metalizarea substraturilor de AlN nu afectează doar performanța electrică, ci are legătură directă cu-fiabilitatea pe termen lung a structurii de ambalare. În special în domenii precum vehiculele cu energie nouă, transportul feroviar și rețelele inteligente, cererea de Ceramică metalizată de precizie și Ceramica metalizată pentru componente electrice continuă să crească, impunând cerințe mai mari pentru consistența și fiabilitatea procesului.

În plus, în timp ce componentele ceramice cu alumină metalizată de precizie și ceramica metalizată cu alumină dețin încă o anumită cotă de piață în aplicațiile de-înaltă precizie, avantajele generale de performanță ale substraturilor AlN sunt mai pronunțate în scenariile de-putere ridicată. În combinație cu tehnologia de prelucrare de precizie pentru piesele ceramice cu alumină, pot fi îndeplinite proiecte structurale complexe și cerințele de ambalare de înaltă-precizie, extinzând și mai mult limitele de aplicare ale materialelor de metalizare ceramică.

În general, diferite procese de metalizare pentru ceramica cu alumină sau cu nitrură de aluminiu prezintă diferențe semnificative în structura interfeței, rezistența aderării și performanța ciclului termic. Printre acestea, procesul AMB, cu mecanismul său excelent de lipire metalurgică și capabilitățile de tamponare a tensiunilor, demonstrează un avantaj clar în aplicațiile de înaltă-fiabilitate. În viitor, pe măsură ce dispozitivele de putere evoluează către densități de curent mai mari și condiții de operare mai solicitante, optimizarea ceramicii metalizate și a proceselor aferente va rămâne o direcție importantă de cercetare.