مقایسه فرآیندهای متالیزاسیون بستر مسی با پوشش نیترید آلومینیوم برای ماژول‌های IGBT

در مرحله اول، با تجزیه و تحلیل مکانیسم پیوند سطحی، فرآیند TFC بر نرم شدن فاز شیشه برای دستیابی به اتصال مکانیکی به هم و خیس شدن از طریق صفحه-خمیر مس چاپ شده و پخت{1} در دمای بالا متکی است. فرآیند DPC در درجه اول بر چسبندگی فیزیکی از طریق کندوپاش کردن یک لایه نازک Ti/Cu و آبکاری الکتریکی برای ضخیم شدن متکی است. فرآیند DBC با واکنش Cu2O و Al2O3 در دماهای بالا برای تشکیل یک ساختار یوتکتیک به پیوند متالورژیکی دست می یابد. در حالی که فرآیند AMB به طور قابل توجهی استحکام پیوند را با تشکیل یک TiN و سایر لایه‌های راکتیو در رابط با استفاده از Ti-حاوی لحیم کاری فعال افزایش می‌دهد. این تفاوت در مکانیسم سرامیکی متالیزاسیون دلیل اساسی برای تمایز عملکرد فرآیندهای مختلف است.

از نظر استحکام لایه برداری، فرآیند AMB بهترین عملکرد را دارد، با استحکام پیوند سطحی به 25 مگاپاسکال، به طور قابل توجهی بالاتر از فرآیندهای DBC، TFC و DPC. این نشان می‌دهد که در سیستم‌های پیوند سرامیکی به-فلز، معرفی عناصر فعال برای ارتقای واکنش‌های سطحی، مسیر مهمی برای بهبود عملکرد پیوند است. در مقابل، فرآیند DPC، فاقد یک لایه پیوند متالورژیکی مؤثر، چسبندگی نسبتاً کمی دارد و کاربرد آن را در محیط‌های{5}} با استرس بالا محدود می‌کند.

تجزیه و تحلیل بیشتر از دیدگاه قابلیت اطمینان چرخه حرارتی تفاوت های قابل توجهی را بین بسترهای مختلف تحت شرایط شوک حرارتی از -55 درجه تا 150 درجه نشان داد. بسترهای DPC لایه لایه شدن رابط را در تعداد چرخه های نسبتاً کم تجربه کردند، در حالی که بسترهای TFC و DBC درجات مختلفی از تخریب استحکام و ریزترک پس از شمارش چرخه متوسط ​​را نشان دادند. در مقابل، بستر AMB عملکرد پایداری را پس از 1500 چرخه حفظ کرد، که عمدتاً به لایه انتقال انعطاف‌پذیر آن در سطح مشترک نسبت داده می‌شود، و به طور موثر غلظت تنش ناشی از عدم تطابق انبساط حرارتی را کاهش می‌دهد. این ویژگی ارزش مرجع قابل توجهی برای طراحی اجزای سرامیکی متالایز شده با استحکام بالا دارد.

تست‌های چرخه قدرت تفاوت‌های عملکردی بین فرآیندهای مختلف را بیشتر تقویت کردند. در شرایط دوچرخه‌سواری تا 1200A/3.3kV، بستر AMB می‌تواند برای بیش از 70000 چرخه پایدار عمل کند و مقاومت حرارتی نسبی قابل اعتمادی را حفظ کند. زیرلایه DBC پس از تقریباً 40000 چرخه شروع به تخریب کرد، در حالی که بسترهای TFC و DPC در مراحل اولیه از کار افتادند. این نشان می دهد که در کاربردهای محفظه سرامیکی متالیزه برای نیمه هادی های قدرت، پایداری ساختار رابط و قابلیت بافر تنش حرارتی عوامل کلیدی تعیین کننده طول عمر هستند.

از دیدگاه کاربرد مهندسی، متالیزاسیون زیرلایه‌های AlN نه تنها بر عملکرد الکتریکی تأثیر می‌گذارد، بلکه مستقیماً به قابلیت اطمینان بلندمدت ساختار بسته‌بندی نیز مرتبط است. به خصوص در زمینه هایی مانند وسایل نقلیه انرژی جدید، حمل و نقل ریلی، و شبکه های هوشمند، تقاضا برای سرامیک های متالیزه دقیق و سرامیک های متالیزه برای قطعات الکتریکی همچنان در حال رشد است و تقاضاهای بالاتری را برای سازگاری و قابلیت اطمینان فرآیند ایجاد می کند.

علاوه بر این، در حالی که اجزای سرامیکی آلومینای متالایز دقیق و سرامیک‌های متالیزه آلومینا هنوز سهم بازار مشخصی را در کاربردهای{0}دقت بالا دارند، مزایای عملکرد کلی زیرلایه‌های AlN در سناریوهای{{1}قدرت بالا آشکارتر است. ترکیب با فناوری ماشینکاری دقیق برای قطعات سرامیکی آلومینا، طرح‌های ساختاری پیچیده و الزامات بسته‌بندی با دقت بالا را می‌توان برآورده کرد و مرزهای کاربرد مواد متالیزاسیون سرامیکی را بیشتر گسترش داد.

به طور کلی، فرآیندهای متالیزاسیون مختلف برای سرامیک های آلومینا یا نیترید آلومینیوم، تفاوت های قابل توجهی در ساختار رابط، استحکام پیوند و عملکرد چرخه حرارتی نشان می دهند. در میان آنها، فرآیند AMB، با مکانیسم پیوند متالورژیکی عالی و قابلیت‌های بافر تنش، مزیت آشکاری را در کاربردهای{1} با قابلیت اطمینان بالا نشان می‌دهد. در آینده، همانطور که دستگاه‌های قدرت به سمت چگالی جریان بالاتر و شرایط عملیاتی سخت‌تر تکامل می‌یابند، بهینه‌سازی سرامیک‌های متالایز و فرآیندهای مرتبط به عنوان یک جهت تحقیقاتی مهم باقی خواهد ماند.