Con l’accelerazione della transizione globale verso i veicoli elettrici e le energie rinnovabili, la domanda di dispositivi elettronici di potenza più potenti, efficienti e affidabili non è mai stata così grande. Al centro di questi sistemi si trova un componente critico che deve resistere a cicli termici estremi, tensioni elevate e condizioni operative difficili: il substrato del modulo di potenza. Per i responsabili degli approvvigionamenti e gli ingegneri progettisti che cercano di costruire convertitori di potenza di prossima generazione, i substrati ceramici Active Metal Brazed (AMB) , in particolare quelli realizzati con nitruro di silicio (Si₃N₄) e nitruro di alluminio (AlN) , sono emersi come la tecnologia abilitante. Questo articolo esplora il motivo per cui i substrati AMB stanno diventando indispensabili per i moduli IGBT avanzati e in carburo di silicio (SiC).
Il vantaggio AMB: oltre l’incollaggio tradizionale
La brasatura attiva dei metalli (AMB) è un processo di metallizzazione avanzato che crea un legame metallurgico tra rame e ceramica utilizzando un foglio di brasatura reattivo contenente elementi attivi come il titanio (Ti). A differenza del tradizionale rame legato direttamente (DBC) , che si basa sul legame di ossido, l'AMB forma un legame chimico che è intrinsecamente più forte e più affidabile, soprattutto con ceramiche difficili da incollare come il nitruro di silicio.
Perché AMB è superiore per le applicazioni ad alta affidabilità:
- Maggiore forza di adesione: la resistenza alla pelatura supera tipicamente 80 N/cm, rispetto a 15-25 N/cm per DBC, eliminando virtualmente il rischio di delaminazione.
- Prestazioni di ciclo termico superiori: in grado di resistere a >5.000 cicli (da -55°C a 150°C), superando di gran lunga il DBC negli ambienti automobilistici e industriali esigenti.
- Eccellente controllo dei vuoti: il processo di brasatura sotto vuoto riduce al minimo i vuoti sull'interfaccia rame-ceramica, garantendo un trasferimento termico ottimale.
- Compatibilità con ceramiche avanzate: consente l'uso di ceramiche ad alte prestazioni come Si₃N₄ che sono difficili o impossibili da legare con DBC.
Scegliere la ceramica giusta: Si₃N₄ vs. AlN AMB
La scelta tra Si₃N₄ e AlN come base ceramica per i substrati AMB dipende dalle sfide specifiche della vostra applicazione. Entrambi offrono vantaggi rispetto ai tradizionali substrati di allumina (Al₂O₃) .
Nitruro di silicio (Si₃N₄) AMB: il campione della tenacità
I substrati Si₃N₄ AMB eccellono nelle applicazioni in cui l'affidabilità meccanica sotto stress estremo è fondamentale.
- Eccezionale resistenza alla frattura: 6-8 MPa·m¹/² (rispetto a 3-4 per Al₂O₃) fornisce un'eccezionale resistenza alla propagazione delle cricche.
- Eccellente corrispondenza CTE con SiC: 3,2 ppm/K per Si₃N₄ contro 3,7 ppm/K per SiC, riducendo al minimo lo stress termomeccanico nei moduli di potenza WBG.
- Elevata resistenza alla flessione: >900 MPa, che lo rende 3-5 volte più resistente dell'Al₂O₃.
- Ideale per: inverter per trazione automobilistica (in particolare architetture da 800 V), azionamenti industriali ad alte vibrazioni e sistemi di alimentazione aerospaziali.
Il nostro substrato rivestito in rame Si₃N₄ AMB per moduli SiC è progettato specificamente per queste applicazioni esigenti.
Nitruro di alluminio (AlN) AMB: il leader delle prestazioni termiche
I substrati AlN AMB danno priorità alla massima dissipazione del calore per le applicazioni con la massima densità di potenza.
- Conduttività termica superiore: 170-200 W/m·K (rispetto a ~25 W/m·K per Al₂O₃ e ~90 W/m·K per Si₃N₄).
- Buon abbinamento CTE: 4,5 ppm/K, che fornisce comunque un adattamento ragionevole al SiC e un adattamento eccellente al GaN.
- Eccellente isolamento elettrico: elevata rigidità dielettrica e bassa perdita dielettrica.
- Ideale per: moduli ad altissima densità di potenza, amplificatori di potenza RF e applicazioni in cui la gestione termica è il vincolo principale.
Il nostro substrato rivestito in rame AMB in ceramica al nitruro di alluminio offre prestazioni termiche eccezionali.
Domini applicativi primari
I substrati AMB stanno abilitando tecnologie in molteplici settori ad alta crescita:
- Propulsori per veicoli elettrici: inverter principali, convertitori CC-CC e caricabatterie di bordo, in particolare per architetture da 800 V che utilizzano MOSFET SiC.
- Energie rinnovabili: inverter solari e convertitori di energia eolica dove l'affidabilità a lungo termine in ambienti esterni è fondamentale.
- Azionamenti per motori industriali: azionamenti a frequenza variabile (VFD) ad alta potenza per impianti manifatturieri, minerari e HVAC.
- Trasporti Ferroviari: Convertitori di trazione per treni elettrici e tram.
- Gruppi di continuità (UPS): data center ad alta affidabilità e sistemi di alimentazione di backup industriali.
5 Considerazioni critiche sull'approvvigionamento dei substrati AMB
Dati sull'affidabilità e cronologia delle prestazioni sul campo
Richiedi report completi sui test del ciclo di alimentazione (ad esempio, secondo lo standard automobilistico AQG324) e dati sui test di shock termico . Per le applicazioni automobilistiche, verificare che il fornitore abbia esperienza con i test di qualificazione richiesti e possa fornire dati sull'affidabilità sul campo da applicazioni simili.
Qualità e consistenza dei materiali
Le prestazioni dei substrati AMB dipendono fortemente dalla qualità della ceramica. Assicurarsi che il fornitore utilizzi materiali ceramici uniformi e di elevata purezza con proprietà certificate. Per Si₃N₄ verificare i valori di tenacità alla frattura; per AlN, confermare le misurazioni della conduttività termica. Questo livello di qualità è simile a quello richiesto per altri prodotti ceramici elettronici critici.
Integrità del legame e analisi dei vuoti
L'interfaccia di adesione AMB deve essere praticamente priva di difetti. Richiedere immagini tramite scansione ultrasonica (C-Scan) che mostrino la distribuzione dei vuoti. Le percentuali di vuoti accettabili devono essere inferiori all'1-2% per i substrati di tipo automobilistico. Verificare anche i risultati del test di resistenza alla pelatura (>80 N/cm è tipico per AMB di alta qualità).
Supporto alla progettazione e capacità di personalizzazione
I progetti dei moduli di potenza sono altamente specializzati. Valuta se il fornitore è in grado di fornire servizi OEM/ODM completi , tra cui forme di substrati personalizzate, modelli complessi di rame, vie termiche integrate e assistenza con la simulazione termica e meccanica. La loro capacità di lavorare con i vostri specifici requisiti di progettazione DBC o AMB è fondamentale.
Resilienza della catena di fornitura e conformità automobilistica
Per le applicazioni automobilistiche, verificare la certificazione IATF 16949. Valuta la capacità produttiva del fornitore in base ai tuoi requisiti di volume e alla sua strategia di approvvigionamento delle materie prime. Un produttore integrato verticalmente con il controllo sulla produzione ceramica e sui processi di metallizzazione offre in genere una migliore coerenza e sicurezza della fornitura.
Tendenze del settore e fattori trainanti della tecnologia
Transizione alle architetture EV da 800 V e ai semiconduttori ad ampio gap di banda
Il passaggio dell'industria automobilistica ai sistemi a 800 V per consentire una ricarica più rapida e una maggiore efficienza sta guidando l'adozione di dispositivi di alimentazione SiC. Questi dispositivi funzionano a temperature e frequenze di commutazione più elevate, rendendo le proprietà termiche e meccaniche superiori dei substrati Si₃N₄ AMB essenziali per l'affidabilità.
Richiesta di maggiore densità di potenza e miniaturizzazione
La spinta verso moduli più piccoli e più potenti richiede substrati in grado di gestire densità di corrente e flussi di calore più elevati. La tecnologia AMB supporta strati di rame più spessi (fino a 2 mm) per un'elevata capacità di corrente mantenendo eccellenti prestazioni termiche attraverso la ceramica.
Integrazione e Tecniche Avanzate di Packaging
Vi è un crescente interesse nell’integrare più funzioni all’interno del modulo di potenza, inclusi gate driver e sensori. Ciò sta guidando l’innovazione nella progettazione del substrato, combinando potenzialmente l’AMB per i dispositivi di potenza con la tecnologia DPC per i circuiti di controllo a passo fine sullo stesso substrato.
Migliori pratiche per la gestione e l'integrazione
Per garantire prestazioni ottimali dei substrati AMB nei moduli di potenza:
- Protezione ESD: maneggiare sempre i substrati in un ambiente protetto da scariche elettrostatiche per evitare danni ai dispositivi semiconduttori sensibili durante l'assemblaggio.
- Pulizia adeguata: pulire i substrati con solventi appropriati (IPA) prima di attaccare lo stampo per rimuovere eventuali contaminanti che potrebbero compromettere l'incollaggio.
- Gestione dell'interfaccia termica: quando si collega il substrato a un dissipatore di calore, utilizzare materiali di interfaccia termica (TIM) appropriati e garantire una pressione uniforme per ridurre al minimo la resistenza termica.
- Evitare sollecitazioni meccaniche: non sottoporre i substrati a sollecitazioni di flessione o torsione durante la movimentazione o l'assemblaggio, poiché la ceramica è fragile.
- Condizioni di conservazione: conservare in un ambiente asciutto e pulito per prevenire l'ossidazione delle superfici in rame o la contaminazione.
Standard e qualifiche di settore pertinenti
I substrati AMB per i moduli di potenza devono soddisfare rigorosi standard di settore:
- AQG 324: Linee guida per la "Qualificazione dei moduli di potenza per l'uso nelle unità di conversione dell'elettronica di potenza nei veicoli a motore" - lo standard de facto per i moduli di potenza automobilistici.
- IEC 60747 / IEC 62047: norme per dispositivi a semiconduttore e dispositivi microelettromeccanici, rilevanti per l'imballaggio e i test di affidabilità.
- Standard JEDEC: come JESD22 per metodi di test di affidabilità (cicli termici, cicli di alimentazione).
- ISO 16750: Veicoli stradali - Condizioni ambientali e prove per apparecchiature elettriche ed elettroniche.
- UL 94: norma sull'infiammabilità dei materiali plastici, rilevante per la sicurezza complessiva del modulo.
Domande frequenti (FAQ)
D: Quando dovremmo scegliere Si₃N₄ AMB rispetto ad AlN AMB?
R: Scegli Si₃N₄ AMB quando la tua preoccupazione principale è l'affidabilità meccanica in cicli termici estremi o in ambienti con vibrazioni elevate (ad esempio, inverter di trazione automobilistica). La sua tenacità alla frattura superiore e l'eccellente corrispondenza del CTE con il SiC lo rendono ideale per queste condizioni. Scegli AlN AMB quando la massima dissipazione del calore è la priorità per progetti con densità di potenza molto elevata, soprattutto se si utilizzano dispositivi GaN o si opera a frequenze estremamente elevate.
D: Quali sono le tipiche opzioni di spessore del rame per i substrati AMB?
R: La tecnologia AMB supporta un'ampia gamma di spessori di rame, in genere da 0,3 mm a 2,0 mm. Le offerte standard spesso includono configurazioni da 0,3 mm/0,3 mm (superiore/inferiore) o 0,8 mm/0,3 mm. Il rame più spesso consente una maggiore capacità di trasporto di corrente ma potrebbe richiedere modifiche al design per incidere caratteristiche più fini. Le combinazioni di spessori personalizzate sono spesso disponibili tramite i servizi OEM/ODM .
D: Come si confronta il costo di AMB con quello di DBC?
R: I substrati AMB sono in genere da 1,5 a 3 volte più costosi dei substrati DBC equivalenti a causa del processo di brasatura sotto vuoto più complesso e delle ceramiche spesso più costose (Si₃N₄, AlN rispetto a Al₂O₃). Tuttavia, per le applicazioni in cui l'affidabilità è fondamentale (automobilistico, aerospaziale, industriale), il costo totale di proprietà (TCO) è spesso inferiore a causa della durata significativamente più lunga, delle richieste di garanzia ridotte e della maggiore efficienza del sistema consentita da migliori prestazioni termiche.
D: I substrati AMB possono essere utilizzati per applicazioni RF ad alta frequenza?
R: Sì, in particolare i substrati AlN AMB . L'eccellente conduttività termica dell'AlN combinata con le sue buone proprietà dielettriche (tangente a bassa perdita) lo rende adatto per applicazioni RF ad alta potenza. Gli spessi strati di rame ottenibili con AMB avvantaggiano anche i progetti RF riducendo le perdite dei conduttori. Per i circuiti RF più esigenti, la tecnologia DPC potrebbe essere preferita per le sue funzionalità più precise, ma AMB offre vantaggi per livelli di potenza più elevati.
Funzionalità chiave da ricercare in un fornitore AMB
La selezione del giusto partner per i substrati AMB richiede la valutazione di diverse funzionalità critiche:
- Integrazione verticale: il controllo sui processi di formulazione, modellatura, sinterizzazione e metallizzazione delle polveri ceramiche garantisce coerenza e tracciabilità.
- Attrezzature di produzione avanzate: compresi forni per brasatura sotto vuoto con controllo preciso della temperatura e dell'atmosfera, capacità avanzate di modellazione e incisione e sistemi di ispezione completi (scansione a ultrasuoni, raggi X, ecc.).
- Competenza nella scienza dei materiali: profonda conoscenza delle proprietà ceramiche, delle formulazioni delle leghe brasate e delle loro interazioni sotto stress termico e meccanico.
- Gestione della qualità: certificazioni come IATF 16949 per il settore automobilistico, ISO 9001 e un solido controllo di processo con metodi statistici.
- Supporto all'ingegneria applicativa: capacità di collaborare alla progettazione termica e meccanica, fornire supporto alla simulazione e assistere nell'analisi dei guasti.
