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市面上采用AMB氮化硅陶瓷基板的功率模块优势有哪些?

 时间:2022-04-16     浏览:101     分享

市面上趋势表明,低热阻、长寿命和易于处理是工程师最为看重的功率模块属性。低热阻是一个优势,因为它可以提高模块的额定功率。以下就是讨论功率模块与氮化硅陶瓷基板AMB的优势,并与传统对应物进行了比较。

 

使用寿命长有利于大多数工业应用,但对于太阳能逆变器来说,使用寿命往往为更重要,因为面板非常耐用,并且可以在未来几十年内持续提供回报。使用寿命和热阻相关,较低的热阻会降低运行期间的T,从而减轻模块暴露于热应的情况。易于操作是成本和可靠性的提高因素,易于操作的模块安装起来也更安全、更便宜。

 

功率模块设计采用了0.38mm氧化铝直接铜键合(DBC)基板、Wacker P12热界材料TIM和弹簧加载触电。这个配方正是工程师想要的良好耐热性、长寿命和易于操作。首先需要提高热阻以跟上市场需求。没有陶瓷基板的功率模块的热阻大约有50%来自功率模块,另外50%来自TIM,因此改善两个组件的热阻是一个好想法。

 

陶瓷基板是功率模块热阻的关键决定因素,氮化铝和氮化硅陶瓷基板的导热性能优于氧化铝陶瓷基板【图1a】。氮化铝陶瓷基板DCB的使用寿命不如氧化铝DCB【图1c】,添加到氮化铝表面的薄氧化铝层使其适用于DCB技术的氧化铝陶瓷基板【图1b】。氮化硅不是DCB技术的选项,但氮化铝和氮化硅陶瓷基板与AMB活性金属钎焊技术一起使用。铜和陶瓷之间的钎焊层可以更好低吸收应力,因此AMB陶瓷基板的寿命比DCB陶瓷基板长得多。

 

 

由于陶瓷基板的高断裂韧性,AMB技术与氮化硅陶瓷基板的结合产生了最长的使用寿命。尽管氮化硅的导热性不如氮化铝陶瓷基板,但其较高的抗弯强度确实允许使用AMB技术达到0.32毫米厚的层。较薄的陶瓷补偿了较低的热导率,因此两种基板材料最终具有几乎相同的热阻【图1d】。0.5mm氮化硅AMB铜的热阻可与0.3mm氮化铝AMB铜的热阻相等,但功率模块外壳专为布局侧具有0.3mm铜的基板而设计。较厚的0.5mm铜层会压缩弹簧触点,因此必须修改触点或外壳。0.3 0.5 mm 铜的热阻之间的差异并不是那么显着,与功率模块中使用的其他结构材料相比,TIM 的导热率非常低,因此 TIM 层必须尽可能薄。

 

TIM 由通常由聚合物和高导热固体材料制成的软基体组成。这些热界面材料必须填充功率模块下方的微小口袋,因此固体材料的晶粒必须细小,并且必须优化基体和固体材料的比例以实现流动能力。TIM 的导热性可以通过金属等高导电性固体和充分利用固相和液相之间的潜热的相变基质来提高。PSX-P TIM 由铝固体和相变基体材料组成,其导热性是由陶瓷固体材料和非相变硅胶基体制成的 P12 TIM 的四倍。

 

PSX-P TIM 是一种固体材料,安装在功率模块的背面,并在固定到位后进行热处理。随着扩散材料填充蜂窝结构中的微小口袋并且 TIM 层变得更薄,螺钉上的扭矩可能会降低。因此,螺钉的热处理和随后的重新拧紧需要更大的处理工作。

 

易于处理是三个优先事项之一,因此进行了 Rth 测量以评估热处理和重新拧紧的效果。结果表明,在扭矩下限和上限下,在展开和重新拧紧之前和之后,Rth 是稳定的。具有蜂窝结构的固体 TIM 被推向散热器,使其接触表面,从而形成确保导热性的热桥。在第一次使用功率模块时开始扩散,但由于口袋太小,它仅略微提高了 RthTIM 铺展后厚度减小,导致螺丝松动,但模块与散热器之间的小间隙中的距离由基体的表面张力保持。

 

功率模块设计采用具有 0.3、0.32 0.3 mm 层的氮化硅陶瓷基板AMBPSX-P 相变TIM,具有更好的耐热性和寿命特性,同时仍然易于处理具有 0.30.38 0.3mm 层的氧化铝DCB P12蒂姆。这使其成为对客户有吸引力的提议。