Porovnání procesů metalizace substrátu z nitridu hliníku s povlakem mědi pro moduly IGBT

Za prvé, při analýze mechanismu mezifázového spojování, proces TFC spoléhá na změkčení skleněné fáze, aby se dosáhlo mechanického vzájemného spojení a smáčení prostřednictvím síto{0}}potištěné měděné pasty a-vysokoteplotního slinování; proces DPC se primárně opírá o fyzickou adhezi prostřednictvím naprašování tenké vrstvy Ti/Cu a galvanického pokovování pro zahušťování; proces DBC dosahuje metalurgické vazby reakcí Cu20 a Al203 při vysokých teplotách za vzniku eutektické struktury; zatímco proces AMB výrazně zvyšuje pevnost spojení vytvořením TiN a dalších reaktivních vrstev na rozhraní pomocí aktivní pájky obsahující Ti-. Tento rozdíl v mechanismu metalizační keramiky je základním důvodem pro diferenciaci výkonu různých procesů.

Pokud jde o pevnost v odlupování, proces AMB funguje nejlépe, s pevností mezifázového spojení dosahující 25 MPa, což je výrazně vyšší hodnota než u procesů DBC, TFC a DPC. To naznačuje, že v systémech spojování keramiky-na{3}}kov je zavedení aktivních prvků na podporu mezifázových reakcí důležitou cestou ke zlepšení účinnosti spojování. Naproti tomu proces DPC, který postrádá účinnou metalurgickou spojovací vrstvu, má relativně nízkou adhezi, což omezuje jeho použití ve vysoce-namáhaných prostředích.

Další analýza z hlediska spolehlivosti tepelného cyklování odhalila významné rozdíly mezi různými substráty za podmínek tepelného šoku v rozsahu od -55 stupňů do 150 stupňů. U substrátů DPC došlo k delaminaci rozhraní při relativně nízkém počtu cyklů, zatímco substráty TFC a DBC vykazovaly různé stupně degradace pevnosti a mikrotrhlin po středních počtech cyklů. Na rozdíl od toho si substrát AMB udržel stabilní výkon po 1500 cyklech, což je primárně přičítáno jeho flexibilní přechodové vrstvě na rozhraní, účinně zmírňující koncentraci napětí způsobenou nesouladem tepelné roztažnosti. Tato charakteristika má významnou referenční hodnotu pro konstrukci vysoce pevných metalizovaných keramických součástí.

Testy cyklování napájení dále prohloubily výkonnostní rozdíly mezi různými procesy. Za podmínek cyklování až do 1200A/3,3kV by substrát AMB mohl stabilně fungovat po dobu více než 70 000 cyklů a udržovat si spolehlivý relativní tepelný odpor. Substrát DBC začal degradovat po přibližně 40 000 cyklech, zatímco substráty TFC a DPC selhaly v ještě dřívější fázi. To naznačuje, že v aplikacích metalizovaného keramického pouzdra pro výkonové polovodiče jsou klíčovými faktory určujícími životnost stabilita struktury rozhraní a schopnost vyrovnávat tepelné napětí.

Z hlediska strojírenské aplikace ovlivňuje pokovování substrátů AlN nejen elektrický výkon, ale také přímo souvisí s dlouhodobou- spolehlivostí obalové struktury. Zejména v oborech, jako jsou nová energetická vozidla, železniční doprava a inteligentní sítě, poptávka po přesné metalizované keramice a metalizované keramice pro elektrické komponenty stále roste, což klade vyšší požadavky na konzistenci a spolehlivost procesů.

Kromě toho, zatímco přesné metalizované hliníkové keramické komponenty a hliníkové metalizované keramiky si stále drží určitý podíl na trhu ve vysoce přesných aplikacích, celkové výkonnostní výhody substrátů AlN jsou výraznější ve scénářích s vysokým-výkonem. V kombinaci s technologií přesného obrábění keramických dílů z oxidu hlinitého lze splnit složité konstrukční návrhy a požadavky na vysoce přesné balení-, což dále rozšiřuje možnosti použití keramických metalizačních materiálů.

Celkově různé procesy pokovování pro keramiku z oxidu hlinitého nebo nitridu hliníku vykazují významné rozdíly ve struktuře rozhraní, pevnosti spojení a výkonu tepelného cyklování. Mezi nimi proces AMB se svým vynikajícím metalurgickým spojovacím mechanismem a schopnostmi tlumení napětí demonstruje jasnou výhodu v aplikacích s vysokou-spolehlivostí. V budoucnu, jak se výkonová zařízení vyvíjejí směrem k vyšším proudovým hustotám a náročnějším provozním podmínkám, zůstane optimalizace metalizované keramiky a souvisejících procesů důležitým směrem výzkumu.