2005 №3

Медно-керамические подложки DBC - основа современной силовой электроники. Новые возможности технологии DBC, перспективы и проблемы создания нового поколения изделий силовой электроники

Многокристальные модули (MCM), применяемые в изделиях силовой электроники, таких как усилители мощности, инверторы и преобразователи DC/DC — бурно развивающееся направление электроники. Технология DBC (Direct Bond Copper — прямая медная металлизация) — технология с применением толстой медной фольги (0,125–0,7 мм), которая плакируется на оксид или нитрид алюминия. Создание топологии аналогично технологии травления печатных плат. Толстые медные проводники обеспечивают прекрасную токопроводность и теплоотвод от полупроводниковых силовых кристаллов.

Комбинированная структура «медь — керами ка» имеет коэффициент температурного рас ширения, лишь слегка превышающий его зна чение для керамики (7,2–7,6*10–6). Это позволяет мон тировать большие полупроводниковые силовые кристаллы напрямую, не используя компенсацион ных слоев.

Поскольку технология производства DBC исполь зует чистую медь, существует возможность получать интегрированные токовыводы. Данная технология разрабатывалась компанией curamik electronics в те чение последних лет, и сейчас по ней ведется массо вое производство.

Новая технология получения переходных отвер стий в сочетании с интегрированными токовывода ми позволяет разработать герметичные корпуса не большого веса, имеющие улучшенные температур ные показатели. Так как сопротивление на переходных отверстиях составляет менее 10–4 Ом, такая конструк ция не имеет ограничений по силе подводимого то ка, в отличие от традиционных выводов, герметизи рованных стеклом.

Многокристальные модули высшего класса мощ ности с очень низким тепловым сопротивлением (<0,03 K/Вт) имеют интегрированный трехмерный микроканальный теплоотвод жидкостного охлажде ния, собранный по DBC-технологии. Это решение также находит свое применение для охлаждения мощных микропроцессоров.

1. Введение

Основные применения технологии DBC— это уси лители мощности, инверторы и преобразователи ти па DC/DC. Основой для развития этих устройств яв ляются:

• системы «мягкого» старта и остановки электродвигателей, энергосберегающие контроллеры;
• компоненты систем телекоммуникации, такие как преобразователи DC/DC на базовых станциях сотовых сетей;
• авиационные электрические приводы, применяемые теперь взамен гидравлических.

Для инверторов высокой мощности и напряже ния, а также для твердотельных реле подложки DBC стали стандартным носителем. Для применений в ус ловиях низкой мощности, как правило, используют ся гибридные схемы на оксидной керамике.

Основные различия между гибридами и DBC — это толщина и удельное сопротивление проводника.

Как показано в таблице 1, DBC имеют наимень шее удельное сопротивление из всех типов подло жек. Минимальная толщина слоя меди DBC начи нается с тех же значений, что и максимальное зна чение гибридов и плакированной меди. Проводящие слои ГИС толщиной 125 мкм подразумевают нане сение и вжигание нескольких слоев [1].

2. Процесс производства DBC

ТАБЛЦА 1

Производство подложек DBC осуществляется по особой технологии. Принцип данной технологии по казан на рис. 1 в левой колонке. Медная пластина, покрытая тонким слоем оксида меди и находящаяся в тесном контакте с керамикой Al2O3, нагревается до температуры 1065–1085 °C, как показано на рис. 1. В то время как сама медная пластина остается твер дой, происходит эвтектическая связь и взаимная диф фузия молекул кислорода в зоне контакта медной фольги с керамикой:

Рис. 1. Процесс DBC

CuO + Al2O3 = Cu Al2O4 (1)

Слой, получающийся в результате реакции, слишком тонок, чтобы его можно было уви деть с помощью обычного микроскопа.

После того, как связь «медь — керамика» образовалась, пластина охлаждается. Если пар циальное давление кислорода и температура в печи установлены правильно, связь образу ется равномерно, без расслоений. Подложки, как правило, имеют равную толщину меди с двух сторон керамики.

Таким же образом можно создавать более сложные структуры, как показано на рис. 1 в правой колонке. Технология посадки меди на медь позволяет создавать сложные трех мерные теплообменники водяного охлажде ния, как описано в данной статье.

Для осуществления процесса DBC с керами кой на основе нитрида алюминия поверхность нитрида алюминия должна быть преобразо вана в оксид алюминия посредством нагрева и воздействия кислорода, как показано на рис. 2. При соответствующих условиях слой оксида алюминия становится достаточно плотным, чтобы процесс DBC проходил без появ ления каверн.

Рис. 2. Процесс AlN DBC

Стандартный размер заготовок («мастер карт») DBC на основе оксида алюминия со ставляет 5”*7” (12,7*17,78 см).

Структурирование меди можно выполнить либо до начала процесса посадки меди на ке рамику, либо после.

В первом случае посадка проводится путем предварительного травления слоя. Отдельные медные части удерживаются вместе медными мостиками, которые удаляются после посад ки. Во втором случае структурирование осу ществляется так же, как и в технологии изго товления печатных плат, как показано на рис. 3. Маска травильного резиста наносит ся либо путем фотолитографии, либо по тех нологии трафаретной печати. После травле ния на подложку наносятся линии лазерного скрайбирования и производится окончатель ная обработка поверхности — окончательное травление, нанесение слоев химического ни келя и золота, полировка и т. д.

Рис. 3. Технология изготовления DBC

3. Использование подложек DBC в многокристальных модулях

Следующие характеристики привели к за мене традиционных материалов на DBC в си ловых многокристальных модулях:

• Низкий коэффициент температурного расширения (7,2*10–6), несмотря на сравнительно толстые слои меди (0,3 мм).
• Высокая токопроводность благодаря толщине медного проводника и низкому сопротивлению.
• Высокая сопротивляемость меди на отрыв (>50 Н/см).
• Очень низкое температурное сопротивление подложек благодаря эффективному распространению тепла в толстом слое меди, а также благодаря отсутствию промежуточных слоев.
• Высокая устойчивость к механическим воздействиям.

Конструкция силовых многокристальных модулей показана на рис. 4. Кремниевый кри сталл припаивается к подложке DBC сверху, а затем DBC паяется к плате-основанию. Затем основание присоединяется к основному теп лоотводу [2].

Рис. 4. Общий вид силовых многокристальных модулей

Кремниевые кристаллы (диоды, IGBT или MOSFET-транзисторы) соединены в электри ческую цепь толстой алюминиевой проволо кой. Собранное в пластмассовом корпусе из делие тестируется и консервируется мягким и твердым компаундом.

Небольшие MCM много лет производились без использования платы-основания. Задняя часть подложки DBC непосредственно соеди нялась с теплоотводом. Недавние разработки [3] показали, что концепция такого модуля «без дна» может применяться и в мощных си ловых многокристальных модулях. Преиму щества такого способа — низкая себестои мость, небольшая масса, хорошее тепловое сопротивление и надежность. Эта новая кон цепция увеличивает требования по механи ческим и геометрическим параметрам DBC подложек, для чего:

• подложки DBC шлифуются с задней стороны;
• используются сорта керамики с высокой прочностью на изгиб.

Традиционные силовые многокристальные модули негерметичны. Герметически закры тые модули на основе подложек DBC могут быть произведены при использовании пере ходных отверстий в DBC и технологии инте грированных токовыводов.

4. Технология получения переходных отверстий DBC

Переходные отверстия производятся свер лением отверстия в керамике до посадки пер вой медной пластины. После получения DBC, металлизированной с одной стороны, суще ствует три способа получения переходных от верстий. Результаты показаны на рис. 5.

Рис. 5. Варианты получения переходных отверстий в DBC

1. Вставляется медный шарик с диаметром немного больше, чем толщина керамики, затем вторая медная пластина сажается на керамику. Сложность проведения процесса DBC заключается в том, чтобы сплавить шарик как с нижним, так и с верхним слоем.
2. Вставляется медная вставка толщиной меньше, чем толщина керамики, затем сажается верхний слой. Третий шаг — верхний прово дящий слой прижимается к торцу вставки и сваривается точечной сваркой.
3. Ни вставка, ни шарик не используются. Верхний медный проводник впрессовыва ется в нижний проводник, затем произво дится их сварка.

Технологии В и С опробованы в массовом производстве. Технология А малопроизводительна из-за необходимости подбирать диаметр шарика и подходящую толщину керамики. Для всех типов сопротивление на переходных отверстиях составляет менее 100 мкОм.

5. Интегрированные токовыводы

Технология изготовления DBC позволяет использовать медные пластины большего размера, чем керамические пластины. Медь, заходящая за края пластин, может использоваться для формирования интегрированных токовыводов, как показано на рис. 6. Интегрированные токовыводы могут быть разработаны как с выводной рамкой, так и без нее. Преимущества интегрированных токовыводов:

Рис. 6. Интегрированные токовыводы

• не требуется дополнительного этапа пайки токовыводов, соответственно, меньше трудозатраты и отсутствуют дефекты пайки токовыводов;
• для формирования топологии на подложке доступна дополнительная площадь;
• из-за отсутствия паяного соединения токовывода увеличивается его токопроводность.

Интегрированные токовыводы могут нахо диться с любой из четырех сторон подложки. Наиболее дешевым вариантом является раз мещение токовыводов только с одной сторо ны подложки.

6. Герметические корпуса

Переходные отверстия в DBC и технология интегрированных токовыводов позволяют со здавать герметически изолированные корпу са многокристальных модулей. Существуют три основных вида (рис. 7).

Рис. 7. Герметические корпуса на основе DBC

1. Герметический корпус с боковыми выводами: основу составляет «сэндвич» DBC, состоящий из двух подложек DBC со встроенными токовыводами и переходными отверстиями. Коваровая рамка паяется твердым припоем из меди и цинка. После посадки кристаллов и разварки проволоки приваривается металлическая крышка для изоляции корпуса.
2. Герметический корпус с выводами сверху: основу составляет «сэндвич» DBC и верхний слой DBC с большим прямоугольным отверстием в месте установки кристаллов и отверстиями меньшего размера для токовыводов. Токовыводы представляют собой медные штыри, которые сажаются напрямую на медные проводники на дне DBC. На DBC паяется твердым припоем из меди и цинка коваровая рамка.
3. Герметический корпус с выводами снизу: основу составляет один слой подложки DBC. Медные выводы сажаются на поверхность верхней части медного проводника через отверстия в керамике.

Сочетание подложек DBC в качестве осно вания и выводов, герметизированных в кова ровой рамке стеклом, осуществляется, как по казано на рис. 8. Преимущества корпусов с подложками DBC по сравнению с металли ческими корпусами:

Рис. 8. Корпус DBC с коваровой рамкой и выводами, герметизированными стеклом

• очень высокая токопроводность;
• низкое тепловое сопротивление;
• низкий вес;
• маленький объем.

7. Модули DBC с жидкостным охлаждением

Технология посадки меди на керамику или керамики на керамику открывает возмож ность соединения керамических подложек со сложными трехмерными медными структу рами. Этот принцип может использоваться при производстве пластин, имеющих жидко стное охлаждение с микроканальными струк турами.

На рис. 9 изображена часть «сэндвича» DBC с охладителем. Несколько слоев меди распо лагаются между двумя подложками DBC. Структура соединена с использованием тех нологии DBC.

Рис. 9. Сечение жидкостного охладителя с трехмерной структурой микроканалов

Как правило, внутренняя структура охлади теля состоит из 8–10 слоев меди (толщиной 0,3 мм каждый), имеющих вид шестиуголь ника (рис. 10).

Рис. 10. Внутренняя структура охладителя

Теплопроводные штыри структуры имеют ди аметр 1,5 мм. На рис. 11 представлен поперечный разрез структуры охладителя по линиям Аи В. Тепло, отводящееся от слоя, на котором ус тановлены кристаллы, рассеивается через шты ри (разрез А) и перемычки (разрез В) и передает ся в жидкостный охлаждающий контур. Харак теристики микроканальных структур на порядок превосходят значения для обычных конструкций с монолитным медным основанием.

Рис. 11. Поперечный разрез охладителя DBC

На рис. 12 показаны графики теплового со противления в точке посадки кристалла для подложек из AlN и Al2O3 как функция от объ емного расхода охлаждающей жидкости. Дли на модуля составляла 100 мм, а ширина — 60 мм. Охладитель состоял из 10 внутренних слоев толщиной 0,3 мм. Падение давления при 5 л/мин составляло 640 мбар.

Рис. 12. Rthja как функция тока воды

8. Заключение

Технология DBC в течение нескольких лет доказала свою эффективность при производ стве силовых модулей. Развитие интегриро ванных токовыводов и переходных отверстий расширяет сферу применения DBC. Жидкост ное охлаждение многослойных подложек DBC может явиться решением проблем терморегу ляции в следующих поколениях модулей и ми кропроцессоров.

Литература

• Wilczek K. P. TFC® Thickfilm Copper // Proc. ISHM Conference. Munich. 1997.
• Schulz-Harder J. Micro Channel Water Cooled Power Modules // Proc. PCIM Power Conversion Intelligent Motion Power Quality Conference. Nuremberg. June 2000.
• Schulz-Harder, J. Fluid -Cooled DBC Substrates //PCIM Europe Power Conversion. 1998. No. 2.

Назад Электропривод – просто, как «раз, два, три». Часть 3. Модули управления вентильными электродвигателями без датчиков положения ротора Вперёд Устойчивость MOSFET транзистора к импульсам тока в индуктивной нагрузке

Если Вы заметили какие-либо неточности в статье (отсутствующие рисунки, таблицы, недостоверную информацию и т.п.), просьба сообщить нам об этом. Пожалуйста укажите ссылку на страницу и описание проблемы.