當今的電源模塊設計主要基于氧化鋁 (Al2O3) 或 AlN 陶瓷，但不斷增長的性能需求促使設計人員考慮先進的基板替代方案。xEV 應用中的一個例子是，將芯片溫度從 150°C 升高到 200°C，開關損耗可降低 10%。此外，焊接和免焊線模塊等新型封裝技術正在使當前的基板成為薄弱環節。

另一個特別重要的重要驅動因素是在惡劣條件下（例如風力渦輪機）需要延長使用壽命。風力渦輪機的預期使用壽命為 15 年，在所有環境條件下都不會出現故障，因此該應用的設計人員也尋求改進的基板技術。

改進襯底選擇的第三個驅動因素是碳化硅元件的新興使用。與傳統模塊相比，首批使用 SiC 和優化封裝的模塊顯示損耗減少了 40% 至 70%，但也提出了對新封裝方法（包括 Si3N4 基板）的需求。所有這些趨勢都將限制傳統Al2O3和AlN基板的未來作用，而基于Si3N4的基板將成為設計人員未來高性能功率模塊的選擇。

優異的彎曲強度、高斷裂韌性和良好的導熱性使氮化硅（Si3Ni4）非常適合電力電子基板。陶瓷的特性以及局部放電或裂紋擴展等關鍵值的詳細比較表明，對最終基材的行為（如導熱率和熱循環行為）有重大影響。

Si3N4與其他陶瓷的比較

功率模塊絕緣材料選擇的主要性能是導熱性、彎曲強度和斷裂韌性。高導熱率對于功率模塊的快速散熱至關重要。彎曲強度對于陶瓷基板在封裝過程中的處理和可用性非常重要，而斷裂韌性是預測可靠性的關鍵。

表1

如表 1 所示，Al2O3 (96%) 表現出低熱導率和低機械值。然而，24 W/mK 的導熱率足以滿足當今的許多標準工業應用。AlN 的一大優點是具有 180 W/mK 的極高導熱率，盡管其可靠性較差。這是由于斷裂韌性較低且彎曲強度與 Al2O3 相似的結果。

對更高可靠性的日益增長的需求最近刺激了ZTA（氧化鋯增韌氧化鋁）陶瓷的發展。這些陶瓷表現出明顯更高的彎曲強度和斷裂韌性。遺憾的是，ZTA 陶瓷的熱導率與標準 Al2O3 的熱導率范圍相同，因此在具有最高功率密度的高功率應用中的使用受到限制。

比較表明，Si3N4 兼具高導熱性和高機械性能。導熱系數可以指定為 90 W/mK，并且具有比較陶瓷中最高的斷裂韌性 (6,5 – 7 [MPa / ])。這些特性使得人們期望 Si3N4 作為金屬化襯底將表現出最高的可靠性。

金屬化基板的可靠性

使用被動熱循環方法測試了幾種不同的金屬化基板的可靠性。所有基板組合如表 2 所示。對于每種組合，都使用相同的布局，包括相同的銅厚度 d(Cu) = 0.3 mm。沒有額外的設計特征（例如凹痕或階梯蝕刻）來提高可靠性。測試條件定義如下：

?2室測試系統

?dT = 205 K（-55°C 至 +150°C）

?曝光時間 15 分鐘

?加速時間 < 10 秒

通過超聲波顯微鏡檢查不同的樣品以檢測分層和貝殼狀斷裂：

?Al2O3、HPS9% (ZTA) 和 AlN DBC 每 5 個循環后

?Si3N4 AMB（活性金屬釬焊）每 50 個循環后

表2

貝殼狀斷裂是溫度循環中的典型失效模式，在 Al2O3、HPS9% 和 AlN -DBC 基材上檢測到。一般來說，這種擊穿是由于銅和陶瓷在溫度變化過程中熱膨脹值不同而出現的。

AlN DBC 基板的熱循環可靠性最低，循環次數為 35 次。這一結果可以通過陶瓷的最低測量斷裂韌性 (K1C = 3 - 3,4 [MPa / ]) 來解釋。與此結果非常接近的是 Al2O3 DBC，其循環次數為 55 個。HPS9% DBC 展示了傳統材料的最佳性能，其可靠性（110 次循環）比標準 Al2O3 高出兩倍。

Si3N4 AMB 樣品在 5000 次循環后未檢測到任何故障。與 HPS9% DBC 相比，可靠性可提高 45 倍。盡管彎曲強度略低于 HPS9%（650 MPa 與 700 MPa），但由于 Si3N4 的高斷裂韌性（K1C = 6,5 - 7 [MPa / ]），5000 次熱循環仍取得了優異的結果。

這些結果表明，用于構建金屬化基板的陶瓷的彎曲強度并不是基板壽命的關鍵。對于預測可靠性最重要的陶瓷物理特性似乎是斷裂韌性。

圖 1. HPS9% DBC 基板和 Si3N4 AMB 在幾次熱循環后失效機制的主要區別。

圖 2. Si3N4 陶瓷材料在超過 5000 次循環后仍未損壞。

圖1和圖2顯示了HPS9％DBC基板和Si3N4 AMB在多次熱循環后失效機制主要差異的超聲圖像。雖然我們可以在脆性 HPS9% 陶瓷材料內部檢測到貝殼狀斷裂，但 Si3N4 陶瓷材料在超過 5000 次循環后仍然沒有損壞。

基板的熱性能

測量了五組不同的金屬化基板樣品的熱阻率 (Rth)。

圖 1 顯示了我們的熱阻測試結果。用于此 Rth 分析的所有樣本均在兩側均鍍有 0.3 mm 銅層。正如預期的那樣，使用 0.63 mm Al2O3 的基板顯示出最高的 Rth。這是由于 Al2O3 的導熱系數較低 (24W/mK) 造成的。

圖 1：我們的熱阻率測試結果。

0.32 mm HPS 9% DBC 和 0.32 mm Al2O3 DBC 的 Rth 在相同范圍內。

盡管使用了 0.63 mm 厚的陶瓷層，但 AlN DBC 的熱導率最高為 180 W/mK，但 Rth 最低。

Si3N4 的熱導率 (90W/mK) 是 AlN 的一半，這解釋了為什么 Si3N4 AMB 通過使用一半的陶瓷厚度（Si3N4 為 0.32 mm，而 AlN 為 0.63 mm）而顯示出與 AlN DBC 相似的 Rth。

電源模塊的生命周期更長

高強度 Si3N4 絕緣材料可以實現功率模塊對更長生命周期和更高熱性能的日益增長的需求。

調查表明，與傳統的 HPS9% DBC 陶瓷材料相比，使用 Si3N4 AMB（活性金屬釬焊）技術的 Si3N4 可靠性提高了 50 倍。Si3N4 陶瓷具有較高的機械性能，特別是其極高的斷裂韌性 (K1C)，有助于提高其可靠性。此外，Si3N4 更高的強度使其能夠以更薄的橫截面使用，從而使其具有與 AlN 相當的熱性能。

【文章來源】：展至科技

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