当今的电源模块设计主要基于氧化铝 (Al2O3) 或 AlN 陶瓷，但不断增长的性能需求促使设计人员考虑先进的基板替代方案。xEV 应用中的一个例子是，将芯片温度从 150°C 升高到 200°C，开关损耗可降低 10%。此外，焊接和免焊线模块等新型封装技术正在使当前的基板成为薄弱环节。

另一个特别重要的重要驱动因素是在恶劣条件下（例如风力涡轮机）需要延长使用寿命。风力涡轮机的预期使用寿命为 15 年，在所有环境条件下都不会出现故障，因此该应用的设计人员也寻求改进的基板技术。

改进衬底选择的第三个驱动因素是碳化硅元件的新兴使用。与传统模块相比，首批使用 SiC 和优化封装的模块显示损耗减少了 40% 至 70%，但也提出了对新封装方法（包括 Si3N4 基板）的需求。所有这些趋势都将限制传统Al2O3和AlN基板的未来作用，而基于Si3N4的基板将成为设计人员未来高性能功率模块的选择。

优异的弯曲强度、高断裂韧性和良好的导热性使氮化硅（Si3Ni4）非常适合电力电子基板。陶瓷的特性以及局部放电或裂纹扩展等关键值的详细比较表明，对最终基材的行为（如导热率和热循环行为）有重大影响。

Si3N4与其他陶瓷的比较

功率模块绝缘材料选择的主要性能是导热性、弯曲强度和断裂韧性。高导热率对于功率模块的快速散热至关重要。弯曲强度对于陶瓷基板在封装过程中的处理和可用性非常重要，而断裂韧性是预测可靠性的关键。

表1

如表 1 所示，Al2O3 (96%) 表现出低热导率和低机械值。然而，24 W/mK 的导热率足以满足当今的许多标准工业应用。AlN 的一大优点是具有 180 W/mK 的极高导热率，尽管其可靠性较差。这是由于断裂韧性较低且弯曲强度与 Al2O3 相似的结果。

对更高可靠性的日益增长的需求最近刺激了ZTA（氧化锆增韧氧化铝）陶瓷的发展。这些陶瓷表现出明显更高的弯曲强度和断裂韧性。遗憾的是，ZTA 陶瓷的热导率与标准 Al2O3 的热导率范围相同，因此在具有最高功率密度的高功率应用中的使用受到限制。

比较表明，Si3N4 兼具高导热性和高机械性能。导热系数可以指定为 90 W/mK，并且具有比较陶瓷中最高的断裂韧性 (6,5 – 7 [MPa / ])。这些特性使得人们期望 Si3N4 作为金属化衬底将表现出最高的可靠性。

金属化基板的可靠性

使用被动热循环方法测试了几种不同的金属化基板的可靠性。所有基板组合如表 2 所示。对于每种组合，都使用相同的布局，包括相同的铜厚度 d(Cu) = 0.3 mm。没有额外的设计特征（例如凹痕或阶梯蚀刻）来提高可靠性。测试条件定义如下：

•2室测试系统

•dT = 205 K（-55°C 至 +150°C）

•曝光时间 15 分钟

•加速时间 < 10 秒

通过超声波显微镜检查不同的样品以检测分层和贝壳状断裂：

•Al2O3、HPS9% (ZTA) 和 AlN DBC 每 5 个循环后

•Si3N4 AMB（活性金属钎焊）每 50 个循环后

表2

贝壳状断裂是温度循环中的典型失效模式，在 Al2O3、HPS9% 和 AlN -DBC 基材上检测到。一般来说，这种击穿是由于铜和陶瓷在温度变化过程中热膨胀值不同而出现的。

AlN DBC 基板的热循环可靠性最低，循环次数为 35 次。这一结果可以通过陶瓷的最低测量断裂韧性 (K1C = 3 - 3,4 [MPa / ]) 来解释。与此结果非常接近的是 Al2O3 DBC，其循环次数为 55 个。HPS9% DBC 展示了传统材料的最佳性能，其可靠性（110 次循环）比标准 Al2O3 高出两倍。

Si3N4 AMB 样品在 5000 次循环后未检测到任何故障。与 HPS9% DBC 相比，可靠性可提高 45 倍。尽管弯曲强度略低于 HPS9%（650 MPa 与 700 MPa），但由于 Si3N4 的高断裂韧性（K1C = 6,5 - 7 [MPa / ]），5000 次热循环仍取得了优异的结果。

这些结果表明，用于构建金属化基板的陶瓷的弯曲强度并不是基板寿命的关键。对于预测可靠性最重要的陶瓷物理特性似乎是断裂韧性。

图 1. HPS9% DBC 基板和 Si3N4 AMB 在几次热循环后失效机制的主要区别。

图 2. Si3N4 陶瓷材料在超过 5000 次循环后仍未损坏。

图1和图2显示了HPS9％DBC基板和Si3N4 AMB在多次热循环后失效机制主要差异的超声图像。虽然我们可以在脆性 HPS9% 陶瓷材料内部检测到贝壳状断裂，但 Si3N4 陶瓷材料在超过 5000 次循环后仍然没有损坏。

基板的热性能

测量了五组不同的金属化基板样品的热阻率 (Rth)。

图 1 显示了我们的热阻测试结果。用于此 Rth 分析的所有样本均在两侧均镀有 0.3 mm 铜层。正如预期的那样，使用 0.63 mm Al2O3 的基板显示出最高的 Rth。这是由于 Al2O3 的导热系数较低 (24W/mK) 造成的。

图 1：我们的热阻率测试结果。

0.32 mm HPS 9% DBC 和 0.32 mm Al2O3 DBC 的 Rth 在相同范围内。

尽管使用了 0.63 mm 厚的陶瓷层，但 AlN DBC 的热导率最高为 180 W/mK，但 Rth 最低。

Si3N4 的热导率 (90W/mK) 是 AlN 的一半，这解释了为什么 Si3N4 AMB 通过使用一半的陶瓷厚度（Si3N4 为 0.32 mm，而 AlN 为 0.63 mm）而显示出与 AlN DBC 相似的 Rth。

电源模块的生命周期更长

高强度 Si3N4 绝缘材料可以实现功率模块对更长生命周期和更高热性能的日益增长的需求。

调查表明，与传统的 HPS9% DBC 陶瓷材料相比，使用 Si3N4 AMB（活性金属钎焊）技术的 Si3N4 可靠性提高了 50 倍。Si3N4 陶瓷具有较高的机械性能，特别是其极高的断裂韧性 (K1C)，有助于提高其可靠性。此外，Si3N4 更高的强度使其能够以更薄的横截面使用，从而使其具有与 AlN 相当的热性能。

【文章来源】：展至科技

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