Vergleich von Aluminiumnitrid-Kupfer-plattierten Substratmetallisierungsprozessen für IGBT-Module

Erstens: Bei der Analyse des Grenzflächenbindungsmechanismus beruht der TFC-Prozess auf der Erweichung der Glasphase, um durch siebgedruckte Kupferpaste und Hochtemperatursintern eine mechanische Verzahnung und Benetzungsbindung zu erreichen. Das DPC-Verfahren beruht in erster Linie auf der physikalischen Haftung durch Sputtern einer dünnen Ti/Cu-Schicht und Galvanisieren zur Verdickung. Beim DBC-Verfahren wird eine metallurgische Bindung durch die Reaktion von Cu₂O und Al₂O₃ bei hohen Temperaturen unter Bildung einer eutektischen Struktur erreicht. während der AMB-Prozess die Bindungsfestigkeit deutlich erhöht, indem er an der Grenzfläche unter Verwendung von Ti--haltigem Aktivlot eine TiN- und andere reaktive Schichten bildet. Dieser Unterschied im Metallisierungskeramikmechanismus ist der grundlegende Grund für die Leistungsdifferenzierung verschiedener Prozesse.

In Bezug auf die Schälfestigkeit schneidet das AMB-Verfahren mit einer Grenzflächenbindungsfestigkeit von 25 MPa am besten ab und ist damit deutlich höher als bei den DBC-, TFC- und DPC-Verfahren. Dies weist darauf hin, dass in Keramik--zu--Verbindungssystemen die Einführung aktiver Elemente zur Förderung von Grenzflächenreaktionen ein wichtiger Weg zur Verbesserung der Bindungsleistung ist. Im Gegensatz dazu weist das DPC-Verfahren aufgrund des Fehlens einer wirksamen metallurgischen Bindungsschicht eine relativ geringe Haftung auf, was seine Anwendung in Umgebungen mit hoher -Beanspruchung einschränkt.

Eine weitere Analyse im Hinblick auf die Zuverlässigkeit der thermischen Zyklen ergab signifikante Unterschiede zwischen verschiedenen Substraten unter Thermoschockbedingungen im Bereich von -55 Grad bis 150 Grad. Bei DPC-Substraten kam es bei relativ niedrigen Zyklenzahlen zu einer Grenzflächenablösung, während bei TFC- und DBC-Substraten nach mäßigen Zyklenzahlen unterschiedlich starke Festigkeitsverluste und Mikrorisse auftraten. Im Gegensatz dazu behielt das AMB-Substrat nach 1500 Zyklen eine stabile Leistung bei, was vor allem auf seine flexible Übergangsschicht an der Grenzfläche zurückzuführen ist, die die Spannungskonzentration, die durch eine Fehlanpassung der thermischen Ausdehnung verursacht wird, wirksam abmildert. Diese Eigenschaft ist von wesentlicher Referenzgröße für die Gestaltung hochfester metallisierter Keramikbauteile.

Power-Cycling-Tests haben die Leistungsunterschiede zwischen verschiedenen Prozessen weiter verstärkt. Unter Zyklenbedingungen von bis zu 1200 A/3,3 kV könnte das AMB-Substrat über 70.000 Zyklen stabil arbeiten und dabei einen zuverlässigen relativen Wärmewiderstand aufrechterhalten. Das DBC-Substrat begann sich nach etwa 40.000 Zyklen zu zersetzen, während TFC- und DPC-Substrate bereits in einem noch früheren Stadium versagten. Dies weist darauf hin, dass bei Anwendungen metallisierter Keramikgehäuse für Leistungshalbleiter die Stabilität der Schnittstellenstruktur und die Fähigkeit zur Pufferung thermischer Spannungen Schlüsselfaktoren für die Lebensdauer sind.

Aus technischer Anwendungssicht wirkt sich die Metallisierung von AlN-Substraten nicht nur auf die elektrische Leistung aus, sondern steht auch in direktem Zusammenhang mit der langfristigen Zuverlässigkeit der Verpackungsstruktur. Insbesondere in Bereichen wie neue Energiefahrzeuge, Schienenverkehr und intelligente Netze wächst die Nachfrage nach präzisionsmetallisierter Keramik und metallisierter Keramik für elektrische Komponenten weiter und stellt höhere Anforderungen an die Prozesskonsistenz und -zuverlässigkeit.

Während Präzisionskomponenten aus metallisierter Aluminiumoxidkeramik und metallisierte Aluminiumoxidkeramik immer noch einen gewissen Marktanteil bei Hochpräzisionsanwendungen halten, sind die Gesamtleistungsvorteile von AlN-Substraten in Hochleistungsszenarien stärker ausgeprägt. In Kombination mit der Präzisionsbearbeitungstechnologie für Aluminiumoxidkeramikteile können komplexe Strukturdesigns und hochpräzise Verpackungsanforderungen erfüllt werden, wodurch die Anwendungsgrenzen keramischer Metallisierungsmaterialien weiter erweitert werden.

Insgesamt weisen verschiedene Metallisierungsverfahren für Aluminiumoxid- oder Aluminiumnitridkeramiken erhebliche Unterschiede in der Grenzflächenstruktur, der Bindungsstärke und der Temperaturwechselleistung auf. Unter diesen weist der AMB-Prozess mit seinem hervorragenden metallurgischen Bindungsmechanismus und seinen Spannungspufferfähigkeiten einen klaren Vorteil bei Anwendungen mit hoher -Zuverlässigkeit auf. Da sich Leistungsgeräte in Richtung höherer Stromdichten und anspruchsvollerer Betriebsbedingungen weiterentwickeln, wird die Optimierung metallisierter Keramik und verwandter Prozesse auch in Zukunft eine wichtige Forschungsrichtung bleiben