Substratos Ceramicos com Cobre DBC para Modulos de Potencia: Especificacao e Inspecao de Recebimento

Substratos de cobre diretamente ligado (DBC) conduzem a corrente e o calor em praticamente todo modulo IGBT e de carboneto de silicio. Sao feitos ligando folha de cobre a ceramica de alumina ou nitreto de aluminio a temperatura pouco acima do eutetico cobre-oxigenio, de modo que a ligacao e quimica e a ceramica permanece o isolante eletrico enquanto o cobre conduz. Um substrato DBC ou funciona por toda a vida do modulo ou falha na ligacao, o que significa que a especificacao precisa ser escrita em torno da ligacao e do ciclo termico, e nao da aparencia.

Escolha da camada ceramica

• Alumina e a escolha padrao para modulos sensiveis a custo. Tem menor condutividade termica que as alternativas, sendo usada onde a densidade de potencia e moderada ou onde o projeto pode espalhar calor em area maior.
• Nitreto de aluminio oferece condutividade termica nitidamente maior e e escolhido para alta densidade de potencia e para aplicacoes onde peso e volume importam. Exige cuidado, porque a quimica da superficie sinterizada afeta a formacao da ligacao.
• Nitreto de silicio tem a melhor tenacidade mecanica e o melhor desempenho em ciclo termico dos tres, por isso e preferido para modulos de carboneto de silicio e para regime severo de ciclagem. Costuma ser usado com brazing de metal ativo, e nao com ligacao direta.

Escolha da espessura de cobre

A espessura de cobre define capacidade de corrente, espalhamento termico e a tensao mecanica que a ceramica precisa suportar. Valores comuns vao de folha fina para circuito de linha fina ate cobre pesado para alta corrente e espalhamento. Cobre grosso melhora o desempenho eletrico e termico e ao mesmo tempo aumenta a tensao que o ciclo termico impoe a ceramica, portanto e uma troca contra a vida em ciclagem e nao uma melhoria gratuita. Especifique a espessura acabada com tolerancia e diga se e medida antes ou depois da padronizacao.

Os parametros que decidem se o substrato sobrevive

1. Resistencia ao descascamento da ligacao cobre-ceramica

A resistencia ao descascamento, em newtons por milimetro de largura, e a principal medida de qualidade da ligacao. Deve ser especificada junto com o metodo de ensaio, o angulo e a preparacao do corpo de prova, porque um valor citado sem metodo nao pode ser comparado entre fornecedores. Exija dados de descascamento de lotes de producao, e nao apenas de um cupom de qualificacao.

2. Capacidade de ciclo termico

O que destroi substratos DBC e o ciclo termico, e nao a temperatura em regime, porque cobre e ceramica expandem de forma diferente e a ligacao carrega a deformacao resultante. Especifique a faixa de ciclagem e o criterio de falha, por exemplo aumento definido de resistencia termica ou delaminacao acima de area definida, e exija dados de ciclagem na combinacao real de ceramica e espessura de cobre oferecida.

3. Rigidez dieletrica e descarga parcial

Especifique a tensao de ruptura da camada ceramica e especifique a tensao de inicio e de extincao de descarga parcial para o substrato acabado. Descarga parcial e o parametro que importa para confiabilidade de isolamento de longo prazo em modulo de comutacao, e nao e a mesma coisa que um ensaio de ruptura de um segundo.

4. Tolerancia dimensional e de padrao

Largura de linha, espacamento, conicidade da borda de cobre, profundidade de ataque e tolerancia de posicao no painel determinam o rendimento de montagem. Declare a menor feature que deve ser mantida em todo o painel e exija a capacidade do fornecedor para essa feature, pois capacidade citada em cupom pequeno nao se transfere ao painel completo.

5. Camber e planicidade

Camber e a deformacao residual do substrato ligado e consequencia direta da diferenca de expansao entre cobre e ceramica. Afeta a uniformidade da fixacao do die e pode exceder a capacidade de posicionamento de equipamento automatico. Especifique o camber em todo o painel com o metodo de medicao.

6. Acabamento e tratamento superficial

Declare o que a superficie de cobre deve aceitar: solda, prata sinterizada, bond de fio de aluminio ou de cobre. Acabamentos de niquel, niquel-ouro, niquel-paladio-ouro e organicos atendem a processos e vidas de prateleira diferentes, e um acabamento escolhido para solda nao sustenta bond de fio de cobre confiavel.

7. Vazios, delaminacao e defeitos satelite

Especifique a fracao maxima de vazio na interface, o tamanho maximo de vazio individual e a tolerancia de delaminacao de borda, junto com o metodo de inspecao. Especifique tambem se o substrato tera vias e, se sim, se sao preenchidas e com o que.

Inspecao de recebimento

• Faca ensaios de descascamento em amostra por lote, com o metodo e a geometria acordados, e registre o modo de falha, pois falha coesiva dentro da ceramica e falha adesiva na interface indicam estados de ligacao muito diferentes.
• Varra a interface de ligacao por microscopia ultrassonica quando disponivel, ou por raio X ou secao transversal em amostra, e compare a fracao de vazio com a especificacao.
• Meça o camber em todo o painel e meça a espessura de cobre no padrao acabado, nao na folha de entrada.
• Cheque as dimensoes da feature na menor linha e espaco, em varias posicoes do painel, e nao apenas no centro.
• Rode um ensaio de descarga parcial em amostra representativa e confirme que as condicoes seguem a especificacao.
• Inspecione particulas satelite e fragmentos residuais de cobre, que causam curtos e sao defeito comum apos o ataque.

Erros comuns de compra

• Escolher DBC de alumina para modulo de carboneto de silicio ou para ciclagem severa, quando a construcao correta e nitreto de silicio com brazing de metal ativo.
• Aumentar a espessura de cobre para capacidade de corrente sem checar o efeito na vida em ciclo termico.
• Aceitar valor de descascamento sem metodo de ensaio declarado.
• Especificar tolerancia de padrao em cupom e depois descobrir que o fornecedor nao a mantem no painel de producao.
• Ignorar camber ate ele aparecer como vazio na fixacao do die.
• Especificar acabamento superficial sem declarar o processo de fixacao e depois descobrir incompatibilidade com prata sinterizada.
• Tratar descarga parcial como equivalente a ensaio de tensao de ruptura.

Substratos DBC e AMB de Hunan e da China

A China construiu capacidade substancial em substratos de cobre diretamente ligado e brazed com metal ativo, impulsionada pelo crescimento da eletronica de potencia domestica, veiculos eletricos e inversores fotovoltaicos, apoiada por industria profunda de substrato ceramico e folha de cobre. Hunan abriga fornecedores de ceramica avancada e materiais de eletronica de potencia. A LiiFoo mantem perfis verificados no cluster de ceramica avancada.

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