Podłoże energoelektroniczne

Rolą podłoża w energoelektronice jest zapewnienie połączeń tworzących obwód elektryczny (jak płytka drukowana ) oraz chłodzenie komponentów. W porównaniu z materiałami i technikami stosowanymi w mikroelektronice mniejszych mocy , podłoża te muszą przenosić wyższe prądy i zapewniać izolację na wyższym napięciu (do kilku tysięcy woltów). Muszą również działać w szerokim zakresie temperatur (do 150 lub 200 °C).

Podłoże z miedzi wiązane bezpośrednio (DBC).

Struktura bezpośrednio klejonego podłoża miedzianego (góra) i izolowanego podłoża metalowego (dół).

Podłoża DBC są powszechnie stosowane w modułach zasilających , ze względu na bardzo dobrą przewodność cieplną . Składają się z płytki ceramicznej z blachą miedzianą połączoną z jednej lub obu stron w procesie wysokotemperaturowego utleniania (miedź i podłoże są podgrzewane do ściśle kontrolowanej temperatury w atmosferze azotu zawierającej około 30 ppm tlenu; w tych warunkach tworzy się eutektyk miedziowo-tlenowy, który z powodzeniem wiąże się zarówno z miedzią, jak i tlenkami stosowanymi jako substraty). Górna warstwa miedzi może być wstępnie uformowana przed wypalaniem lub wytrawiona chemicznie płytek drukowanych w celu utworzenia obwodu elektrycznego, podczas gdy dolna warstwa miedzi jest zwykle gładka. Podłoże jest mocowane do rozpraszacza ciepła poprzez przylutowanie do niego dolnej warstwy miedzi.

Pokrewna technika wykorzystuje warstwę początkową, fotoobrazowanie, a następnie dodatkowe powlekanie miedzią, aby umożliwić cienkie linie (tak małe jak 50 mikrometrów) i przelotki do łączenia przedniej i tylnej strony. Można to połączyć z obwodami opartymi na polimerach, aby stworzyć podłoża o dużej gęstości, które eliminują potrzebę bezpośredniego podłączania urządzeń zasilających do radiatorów.

Jedną z głównych zalet DBC w porównaniu z innymi podłożami energoelektronicznymi jest ich niski współczynnik rozszerzalności cieplnej , który jest zbliżony do współczynnika krzemu (w porównaniu do czystej miedzi ). Zapewnia to dobrą wydajność cykli termicznych (do 50 000 cykli). Podłoża DBC mają również doskonałą izolację elektryczną i dobre właściwości rozpraszania ciepła.

Materiał ceramiczny stosowany w DBC obejmuje:

  • Tlenek glinu (Al 2 O 3 ), powszechnie stosowany ze względu na niski koszt. Nie jest jednak dobrym przewodnikiem ciepła (24-28 W/mK) i jest kruchy.
  • Azotek glinu (AlN), który jest droższy, ale ma znacznie lepsze parametry cieplne (> 150 W/mK).
  • Azotek krzemu (SiN) (90 W/mK)
  • dodatkiem 9% ZrO2 ) (26 W/mK)
  • Tlenek berylu (BeO), który ma dobre właściwości termiczne, ale często jest unikany ze względu na jego toksyczność po połknięciu lub wdychaniu proszku.

Podłoże Active Metal Brazed (AMB).

AMB składa się z metalowej folii przylutowanej do ceramicznej płyty bazowej za pomocą pasty lutowniczej i wysokiej temperatury (800°C – 1000°C) pod próżnią. Chociaż AMB jest pod względem elektrycznym bardzo podobny do DBC, zwykle nadaje się do małych partii produkcyjnych ze względu na unikalne wymagania procesowe.

Izolowane podłoże metalowe (IMS)

IMS składa się z metalowej płyty podstawy ( aluminium jest powszechnie stosowane ze względu na niski koszt i gęstość) pokrytej cienką warstwą dielektryka ( zwykle warstwą epoksydową) i warstwą miedzi (o grubości od 35 μm do ponad 200 μm). Dielektryk FR-4 jest zwykle cienki (około 100 μm), ponieważ ma słabą przewodność cieplną w porównaniu z ceramiką stosowaną w podłożach DBC.

Ze względu na swoją budowę IMS jest podłożem jednostronnym, tzn. może pomieścić tylko komponenty po stronie miedzianej. W większości zastosowań płyta bazowa jest przymocowana do radiatora w celu zapewnienia chłodzenia, zwykle przy użyciu pasty termoprzewodzącej i śrub. Niektóre podłoża IMS są dostępne z miedzianą płytą bazową zapewniającą lepszą wydajność termiczną.

W porównaniu z klasyczną płytką drukowaną, IMS zapewnia lepsze odprowadzanie ciepła. Jest to jeden z najprostszych sposobów zapewnienia wydajnego chłodzenia elementów montowanych powierzchniowo .

Inne podłoża

  • Gdy urządzenia zasilające są podłączone do odpowiedniego radiatora , nie ma potrzeby stosowania wydajnego termicznie podłoża. Można zastosować klasyczny materiał na płytkę drukowaną (PCB) (ta metoda jest zwykle stosowana w przypadku elementów technologii otworów przelotowych ). Dotyczy to również zastosowań o niskim poborze mocy (od kilku miliwatów do kilku watów), ponieważ PCB można ulepszyć termicznie za pomocą przelotek termicznych lub szerokich ścieżek w celu poprawy konwekcji . Zaletą tej metody jest to, że wielowarstwowe PCB pozwalają na projektowanie złożonych obwodów, podczas gdy DBC i IMS to w większości technologie jednostronne.
  • Elastyczne podłoża mogą być używane do zastosowań o niskim poborze mocy. Ponieważ są zbudowane z Kaptonu jako dielektryka, mogą wytrzymać wysokie temperatury i wysokie napięcia. Ich naturalna elastyczność sprawia, że ​​są odporne na cykliczne uszkodzenia termiczne .
  • Podłoża ceramiczne ( technologia grubowarstwowa ) mogą być również stosowane w niektórych zastosowaniach (takich jak motoryzacja), gdzie niezawodność ma największe znaczenie. W porównaniu z DCB technologia grubowarstwowa zapewnia większą swobodę projektowania, ale może być mniej opłacalna.
  • Wydajność termiczna IMS, DBC i podłoża grubowarstwowego ocenia się w analizie termicznej modułów dużej mocy Van Godbold, C., Sankaran, VA i Hudgins, JL, IEEE Transactions on Power Electronics, tom. 12, nr 1, styczeń 1997, strony 3–11, ISSN 0885-8993 [4] (dostęp ograniczony)
  1. ^ „Arkusze danych Rogers DBC” (PDF) .
  2. ^ Źródło: Hytel Group, producent miedzi na podłożach ceramicznych Zarchiwizowane 22 lutego 1999 r. W Wayback Machine
  3. ^ Źródło: Curamik, producent DBC
  4. ^ Źródło: Liu, Xingsheng (luty 2001). „Ocena przetwarzania i niezawodności połączeń lutowanych dla układów zasilających”. Rozprawa Virginia Tech [1]
  5. ^ Źródło: Liu, Xingsheng (luty 2001). „Ocena przetwarzania i niezawodności połączeń lutowanych dla układów zasilających”. Rozprawa Virginia Tech [2]
  6. ^ Źródło: Firma Bergquist zarchiwizowana 8 lutego 2006 w Wayback Machine
  7. ^ Źródło: AI Technology, Inc zarchiwizowane 28 września 2007 w Wayback Machine
  8. ^ Thermal Management in High-Density Power Converters , Martin März, International Conference on Industrial Technology ICIT'03 Maribor, Słowenia, 10–12 grudnia 2003 r. „Kopia zarchiwizowana” (PDF) . Zarchiwizowane od oryginału (PDF) w dniu 13 czerwca 2007 r . Źródło 6 maja 2006 . {{ cite web }} : CS1 maint: zarchiwizowana kopia jak tytuł ( link ) (dokument PDF, ostatni dostęp 6/5/06)
  9. ^ Szybka prezentacja kilku zastosowań i cech podłoży grubowarstwowych [3]
Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Power_electronic_substrate&oldid=1116934368 ”