Comparació dels processos de metal·lització de substrats revestits de coure de nitrur d'alumini per a mòduls IGBT

En primer lloc, analitzant el mecanisme d'enllaç interfacial, el procés TFC es basa en el suavització de la fase de vidre per aconseguir un enclavament mecànic i una unió humectant mitjançant pasta de coure impresa-pantalla i sinterització a alta-temperatura; el procés DPC es basa principalment en l'adhesió física mitjançant la polsació d'una capa fina de Ti/Cu i la galvanoplastia per espessir; el procés DBC aconsegueix un enllaç metal·lúrgic fent reaccionar Cu₂O i Al₂O₃ a altes temperatures per formar una estructura eutèctica; mentre que el procés AMB millora significativament la força d'unió formant un TiN i altres capes reactives a la interfície mitjançant soldadura activa que conté Ti-. Aquesta diferència en el mecanisme de metal·lització ceràmica és la raó fonamental de la diferenciació de rendiment dels diferents processos.

Pel que fa a la força de pelatge, el procés AMB funciona millor, amb una força d'unió interfacial que arriba als 25 MPa, significativament superior a la dels processos DBC, TFC i DPC. Això indica que en els sistemes d'enllaç ceràmica-a-metall, la introducció d'elements actius per promoure reaccions interfacials és un camí important per millorar el rendiment de l'enllaç. En canvi, el procés DPC, que no té una capa d'unió metal·lúrgica eficaç, té una adhesió relativament baixa, la qual cosa limita la seva aplicació en entorns d'alt-estrès.

Una anàlisi addicional des d'una perspectiva de fiabilitat del cicle tèrmic va revelar diferències significatives entre diversos substrats en condicions de xoc tèrmic que van des de -55 graus fins a 150 graus. Els substrats DPC van experimentar una delaminació de la interfície amb recomptes de cicles relativament baixos, mentre que els substrats TFC i DBC van mostrar diferents graus de degradació de la força i microesquerdes després de recomptes de cicles moderats. En canvi, el substrat AMB va mantenir un rendiment estable després de 1500 cicles, atribuït principalment a la seva capa de transició flexible a la interfície, mitigant eficaçment la concentració d'estrès causada pel desajust de l'expansió tèrmica. Aquesta característica té un valor de referència important per al disseny de components ceràmics metal·litzats d'alta resistència.

Les proves de cicle de potència van amplificar encara més les diferències de rendiment entre diferents processos. En condicions de cicle de fins a 1200A/3,3kV, el substrat AMB podria funcionar de manera estable durant més de 70.000 cicles, mantenint una resistència tèrmica relativa fiable. El substrat DBC va començar a degradar-se després d'aproximadament 40.000 cicles, mentre que els substrats TFC i DPC van fallar en una etapa encara més primerenca. Això indica que en les aplicacions de carcassa de ceràmica metal·litzada per a semiconductors de potència, l'estabilitat de l'estructura de la interfície i la capacitat d'amortització d'estrès tèrmic són factors clau que determinen la vida útil.

Des de la perspectiva de l'aplicació d'enginyeria, la metal·lització dels substrats d'AlN no només afecta el rendiment elèctric, sinó que també es relaciona directament amb la fiabilitat-a llarg termini de l'estructura de l'embalatge. Especialment en camps com els vehicles d'energia nova, el transport ferroviari i les xarxes intel·ligents, la demanda de ceràmica metal·litzada de precisió i ceràmica metal·litzada per a components elèctrics continua creixent, imposant més exigències de consistència i fiabilitat del procés.

A més, mentre que els components ceràmics d'alúmina metal·litzada de precisió i les ceràmiques d'alúmina metal·litzada encara tenen una certa quota de mercat en aplicacions d'alta-precisió, els avantatges generals de rendiment dels substrats d'AlN són més pronunciats en escenaris d'alta-potència. En combinació amb la tecnologia de mecanitzat de precisió per a peces ceràmiques d'alúmina, es poden complir dissenys estructurals complexos i requisits d'embalatge d'alta-precisió, ampliant encara més els límits d'aplicació dels materials de metal·lització ceràmica.

En general, els diferents processos de metal·lització per a ceràmiques d'alúmina o nitrur d'alumini presenten diferències significatives en l'estructura de la interfície, la força d'unió i el rendiment del cicle tèrmic. Entre ells, el procés AMB, amb el seu excel·lent mecanisme d'enllaç metal·lúrgic i capacitats d'amortització de tensions, demostra un clar avantatge en aplicacions d'alta-fiabilitat. En el futur, a mesura que els dispositius de potència evolucionin cap a densitats de corrent més altes i condicions de funcionament més exigents, l'optimització de la ceràmica metal·litzada i els processos relacionats seguiran sent una direcció important de recerca.