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

Компоненты и технологии, № 3'2005

Медно-керамические подложки ОБО:

новые возможности, 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.

Юрген Шульц-Хардер,

д-р

j.schulz-harder@curamik.de Валев Сергей

valev_mozaik@kaluga.ru

Ккош

ш

Таблица 1

омбинированная структура «медь — керамика» имеет коэффициент температурного расширения, лишь слегка превышающий его значение для керамики (7,2-7,6х10-6). Это позволяет монтировать большие полупроводниковые силовые кристаллы напрямую, не используя компенсационных слоев.

Поскольку технология производства DBC использует чистую медь, существует возможность получать интегрированные токовыводы. Данная технология разрабатывалась компанией curamik electronics в течение последних лет, и сейчас по ней ведется массовое производство.

Новая технология получения переходных отверстий в сочетании с интегрированными токовывода-ми позволяет разработать герметичные корпуса небольшого веса, имеющие улучшенные температурные показатели. Так как сопротивление на переходных отверстиях составляет менее 10-4 Ом, такая конструкция не имеет ограничений по силе подводимого тока, в отличие от традиционных выводов, герметизированных стеклом.

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

Система Уд. сопротивление (мОм/м2) Толщина металлизации (мкм) мин. макс. Сквозные отверстия, мин. диаметр (мкм) Шаг (мкм) Сила на отрыв (Н/мм2) Керами- ческое основание

Гибриды Ag 0.8 Pt Ag 10 Pd Cu 1,0 4,0 0,17-0,2 25 125* 100 150 8 10 25 AI2O3 AIN BeO

Плакированная медь 0,12 25 125 50 50 N.A. AI2O3

DBC 0,12 125 650 2000 250 50 Al2O3 AIN BeO

1. Введение

Основные применения технологии DBC — это усилители мощности, инверторы и преобразователи типа DC/DC. Основой для развития этих устройств являются:

• 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 напряжения, а также для твердотельных реле подложки DBC стали стандартным носителем. Для применений в условиях низкой мощности, как правило, используются гибридные схемы на оксидной керамике.

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

Как показано в таблице 1, DBC имеют наименьшее удельное сопротивление из всех типов подложек. Минимальная толщина слоя меди DBC начинается с тех же значений, что и максимальное значение гибридов и плакированной меди. Проводящие слои ГИС толщиной 125 мкм подразумевают нанесение и вжигание нескольких слоев [1].

2. Процесс производства DBC

Производство подложек DBC осуществляется по особой технологии. Принцип данной технологии показан 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 твердой, происходит эвтектическая связь и взаимная диффузия молекул кислорода в зоне контакта медной фольги с керамикой:

Примечание: * Несколько слоев.

72 ----------------------

CuO + Al2O3 = Cu Al2O4

Компоненты и технологии, № 3'2005

Медь Медь

Керамика Медь

Медь

Керамика

Оксид Медь

Медь

Нагрев

Медь

Керамика

Эвтектический ----- слой \

Диффузия 02 и охлаждение

Медь

Медь

Медь Медь

Керамика Медь

О2 Концентрация в атомных %

Рис. 1. Процесс DBC

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

После того, как связь «медь — керамика» образовалась, пластина охлаждается. Если парциальное давление кислорода и температура в печи установлены правильно, связь образуется 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 трехмерные теплообменники водяного охлаждения, как описано в данной статье.

Для осуществления процесса ЭБС с керамикой на основе нитрида алюминия поверхность нитрида алюминия должна быть преобразована в оксид алюминия посредством нагрева и воздействия кислорода, как показано на рис. 2. При соответствующих условиях слой оксида алюминия становится достаточно плот-

А1Ы окисление

4 А1Ы + 6 02 8,1200 С— 2 А1203 + Ы2

1 -2 рт АІ2О3

А1Ы

А12Оз процесс ОВС

Рис. 2. Процесс AlN DBC

Процесс РВС

1

Нанесение маски

Травление

-Лазерное скрайбирование

Окончательная очистка

Хим. никель

Хим. золото

Разд мает еление еркарт

Чистая медная поверхность подложки

Подложка,

металлизированная

никелем

Подложка с поверхностью |ЧП+Аи

і

Контроль

Поставка клиенту в виде отдельных частей

Поставка клиенту в виде масгеркарт

Рис. 3. Технология изготовления DBC

ным, чтобы процесс ЭБС проходил без появления каверн.

Стандартный размер заготовок («мастер-карт») ЭБС на основе оксида алюминия составляет 5"х7" (12,7x17,78 см).

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

В первом случае посадка проводится путем предварительного травления слоя. Отдельные медные части удерживаются вместе медными мостиками, которые удаляются после посадки. Во втором случае структурирование осуществляется так же, как и в технологии изготовления печатных плат, как показано на рис. 3. Маска травильного резиста наносится либо путем фотолитографии, либо по технологии трафаретной печати. После травления на подложку наносятся линии лазерного скрайбирования и производится окончательная обработка поверхности — окончательное травление, нанесение слоев химического никеля и золота, полировка и т. д.

Таблица 2. Возможные сочетания материалов

т

Медь

о: < Толщина 0,2 мм 0,25 мм 0,3 мм 0,4 мм >0,5 мм

0,25 мм х х

0,32 мм х х х

0,38 мм х х х х х

0,63 мм х х х х х

0,78 мм х х х х х

1,00 мм х х х х х

1,50 мм х х х х Х

мы (170 Вт/мК) | Медь

0,63 мм х х х

1,00 мм х х х

3. Использование подложек РВС в многокристальных модулях

Следующие характеристики привели к замене традиционных материалов на ЭБС в силовых многокристальных модулях:

• Низкий коэффициент температурного расширения (7,2х10-6), 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 кристалл припаивается к подложке ЭБС сверху, а затем ЭБС паяется к плате-основанию. Затем основание присоединяется к основному теплоотводу [2].

Кремниевые кристаллы (диоды, ЮБТ или М08РЕТ-транзисторы) соединены в электрическую цепь толстой алюминиевой проволокой. Собранное в пластмассовом корпусе изделие тестируется и консервируется мягким и твердым компаундом.

Небольшие МСМ много лет производились без использования платы-основания. Задняя часть подложки ЭБС непосредственно соединялась с теплоотводом. Недавние разработки [3] показали, что концепция такого модуля «без дна» может применяться и в мощных силовых многокристальных модулях. Преимущества такого способа — низкая себестоимость, небольшая масса, хорошее тепловое сопротивление и надежность. Эта новая концепция увеличивает требования по механическим и геометрическим параметрам ЭБС-подложек, для чего:

• подложки ЭБС шлифуются с задней стороны;

• используются сорта керамики с высокой прочностью на изгиб.

Традиционные силовые многокристальные

модули негерметичны. Герметически закрытые модули на основе подложек ЭБС могут быть произведены при использовании переходных отверстий в ЭБС и технологии интегрированных токовыводов.

Токовыводы

Корпус

Твердый

компаунд

Мягкий

компаунд

Пайка Основание 'Теплоотвод

АІ проволока

Кристаллы

Рис. 4. Общий вид силовых многокристальныхмодулей

О ВС-подложка

Компоненты и технологии, № 3'2005

4. Технология получения переходных отверстий РВС

Переходные отверстия производятся сверлением отверстия в керамике до посадки первой медной пластины. После получения ЭБС, металлизированной с одной стороны, существует три способа получения переходных отверстий. Результаты показаны на рис. 5.

А) Вставляется медный шарик с диаметром немного больше, чем толщина керамики, затем вторая медная пластина сажается на керамику. Сложность проведения процесса ЭБС заключается в том, чтобы сплавить шарик как с нижним, так и с верхним слоем. Б) Вставляется медная вставка толщиной меньше, чем толщина керамики, затем сажается верхний слой. Третий шаг — верхний проводящий слой прижимается к торцу вставки и сваривается точечной сваркой.

С) Ни вставка, ни шарик не используются. Верхний медный проводник впрессовывается в нижний проводник, затем производится 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.

А) Плоские поверхности с обеих сторон/шарик Диаметр керамического отверстия >1,0 мм 1?<100 мкОм

В) Односторонняя плоская поверхность/шарик Диаметр керамического отверстия > 1,0 мм к<100 мкОм

С) Дешевый вариант

Диаметр керамического отверстия > 2,5 мм, слой меди 0,3 мм, 1?<100 мкОм, толщина керамики 0,63 мм

Рис. 5. Варианты получения переходных отверстий в ЭБС

5. Интегрированные токовыводы

Технология изготовления ЭБС 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:

• не требуется дополнительного этапа пайки токовыводов, соответственно, меньше трудозатраты и отсутствуют дефекты пайки то-ковыводов;

• для формирования топологии на подложке доступна дополнительная площадь;

• из-за отсутствия паяного соединения токо-вывода увеличивается его токопроводность. Интегрированные токовыводы могут находиться с любой из четырех сторон подложки. Наиболее дешевым вариантом является размещение токовыводов только с одной стороны подложки.

6. Герметические корпуса

Переходные отверстия в ЭБС и технология интегрированных токовыводов позволяют создавать герметически изолированные корпуса многокристальных модулей. Существуют три основных вида (рис. 7).

А) Герметический корпус с боковыми выводами: основу составляет «сэндвич» ЭБС, состоящий из двух подложек ЭБС 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.

Б) Герметический корпус с выводами сверху: основу составляет «сэндвич» ЭБС и верхний слой ЭБС с большим прямоугольным отверстием в месте установки кристаллов и отверстиями меньшего размера для то-

Медь

Керамика

ковыводов. Токовыводы представляют собой медные штыри, которые сажаются напрямую на медные проводники на дне ЭБС. На ЭБС паяется твердым припоем из меди и цинка коваровая рамка.

С) Герметический корпус с выводами снизу: основу составляет один слой подложки ЭБС. Медные выводы сажаются на поверхность верхней части медного проводника через отверстия в керамике.

Сочетание подложек ЭБС в качестве основания и выводов, герметизированных в кова-ровой рамке стеклом, осуществляется, как показано на рис. 8. Преимущества корпусов

О

Металлическая

крышка Боковой токовывод

Алюминиевая проволока Кристалі

Коваровая

рамка

Металлическая

крышка

А

Верхняя крышка

Коваровая / рамка

Керамика Ц Медь

©Переходное отверстие

©Медный токовывод

Металлическая

крышка

Рис. 7. Герметические корпуса на основе DBC

В

Компоненты и технологии, № 3'2GG5

с подложками ЭБС по сравнению с металлическими корпусами:

• очень высокая токопроводность;

• низкое тепловое сопротивление;

• низкий вес;

• маленький объем.

7. Модули РБС с жидкостным охлаждением

Технология посадки меди на керамику или керамики на керамику открывает возможность соединения керамических подложек со сложными трехмерными медными структурами. Этот принцип может использоваться при производстве пластин, имеющих жидкостное охлаждение с микроканальными структурами.

На рис. 9 изображена часть «сэндвича» ЭБС с охладителем. Несколько слоев меди располагаются между двумя подложками ЭБС. Структура соединена с использованием технологии ЭБС.

Как правило, внутренняя структура охладителя состоит из 8-10 слоев меди (толщиной

0,3 мм каждый), имеющих вид шестиугольника (рис. 10).

Теплопроводные штыри структуры имеют диаметр 1,5 мм. Нарис. 11 представлен поперечный разрез структуры охладителя по линиям А и В. Тепло, отводящееся от слоя, на котором установлены кристаллы, рассеивается через штыри (разрез А) и перемычки (разрез В) и передается в жидкостный охлаждающий контур. Характеристики микроканальных структур на порядок превосходят значения для обычных конструкций с монолитным медным основанием.

На рис. 12 показаны графики теплового сопротивления в точке посадки кристалла для подложек из АШ и А1203 как функция от объемного расхода охлаждающей жидкости. Длина 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. 11. Поперечный разрез охладителя DBC

8. Заключение

Технология DBC в течение нескольких лет доказала свою эффективность при производстве силовых модулей. Развитие интегрированных токовыводов и переходных отверстий расширяет сферу применения DBC. Жидкостное охлаждение многослойных подложек DBC может явиться решением проблем терморегуляции в следующих поколениях модулей и микропроцессоров. мм

Литература

1. Wilczek K. P. TFC Thickfilm Copper // Proc. ISHM Conference. Munich. 1997.

2. Schulz-Harder J. Micro Channel Water Cooled Power Modules // Proc. PCIM Power Conversion Intelligent Motion Power Quality Conference. Nuremberg. June 2000.

3. Schulz-Harder, J. Fluid -Cooled DBC Substrates // PCIM Europe Power Conversion. 1998. No. 2.