Сравнение процессов металлизации подложки с медным покрытием из нитрида алюминия для модулей IGBT

Во-первых, анализируя механизм межфазного соединения, можно сказать, что процесс TFC основан на размягчении стеклофазы для достижения механического сцепления и смачивающего соединения посредством трафаретной-медной пасты с трафаретной печатью и высоко-температурного спекания; процесс DPC основан в первую очередь на физической адгезии за счет напыления тонкого слоя Ti/Cu и нанесения гальванического покрытия для утолщения; процесс DBC обеспечивает металлургическое соединение за счет реакции Cu₂O и Al₂O₃ при высоких температурах с образованием эвтектической структуры; в то время как процесс AMB значительно повышает прочность соединения за счет формирования TiN и других реактивных слоев на границе раздела с использованием активного припоя, содержащего Ti-. Это различие в механизме металлизации керамики является фундаментальной причиной дифференциации производительности различных процессов.

Что касается прочности на отслаивание, лучше всего работает процесс AMB: прочность межфазного соединения достигает 25 МПа, что значительно выше, чем процессы DBC, TFC и DPC. Это указывает на то, что в системах соединения керамики-с-металлами введение активных элементов, способствующих межфазным реакциям, является важным способом улучшения характеристик соединения. Напротив, процесс DPC, лишенный эффективного металлургического связующего слоя, имеет относительно низкую адгезию, что ограничивает его применение в условиях высоких-напряжений.

Дальнейший анализ с точки зрения надежности термоциклирования выявил существенные различия между различными подложками в условиях термического удара в диапазоне от -55 до 150 градусов. Подложки DPC подвергались расслоению интерфейса при относительно небольшом количестве циклов, тогда как подложки TFC и DBC демонстрировали различную степень снижения прочности и микротрещин после умеренного количества циклов. Напротив, подложка AMB сохраняла стабильные характеристики после 1500 циклов, в первую очередь благодаря ее гибкому переходному слою на границе раздела, эффективно снижающему концентрацию напряжений, вызванную несоответствием теплового расширения. Эта характеристика имеет важное значение для проектирования высокопрочных металлизированных керамических деталей.

Тесты на включение и выключение питания еще больше усилили различия в производительности между различными процессами. В условиях циклического использования до 1200 А/3,3 кВ подложка AMB может стабильно работать более 70 000 циклов, сохраняя надежную относительную термическую устойчивость. Субстрат DBC начал разрушаться примерно после 40 000 циклов, тогда как субстраты TFC и DPC вышли из строя еще на более ранней стадии. Это указывает на то, что при использовании металлизированных керамических корпусов для силовых полупроводников стабильность структуры интерфейса и способность к буферизации тепловых напряжений являются ключевыми факторами, определяющими срок службы.

С точки зрения инженерного применения, металлизация подложек AlN не только влияет на электрические характеристики, но и напрямую связана с долгосрочной-надежностью конструкции упаковки. Спрос на прецизионную металлизированную керамику и металлизированную керамику для электрических компонентов продолжает расти, особенно в таких областях, как транспортные средства на новой энергии, железнодорожный транспорт и интеллектуальные сети, что предъявляет более высокие требования к стабильности и надежности процесса.

Более того, хотя прецизионные керамические компоненты из металлизированного оксида алюминия и металлизированная керамика из глинозема по-прежнему занимают определенную долю рынка в приложениях с высокой-прецизионной точностью, общие преимущества в производительности подложек из AlN более выражены в сценариях с высокой-мощностью. В сочетании с технологией прецизионной обработки керамических деталей из глинозема можно удовлетворить сложные структурные конструкции и требования к высокоточной упаковке, что еще больше расширяет границы применения керамических материалов для металлизации.

В целом, различные процессы металлизации керамики из оксида алюминия или нитрида алюминия демонстрируют значительные различия в структуре интерфейса, прочности связи и характеристиках термоциклирования. Среди них процесс AMB с его превосходным механизмом металлургического соединения и возможностями буферизации напряжений демонстрирует явное преимущество в приложениях с высокой-надежностью. В будущем, когда силовые устройства будут развиваться в сторону более высоких плотностей тока и более жестких условий эксплуатации, оптимизация металлизированной керамики и связанных с ней процессов останется важным направлением исследований.