Con il rapido sviluppo della tecnologia dell'elettronica di potenza, i dispositivi di potenza in carburo di silicio (SiC) con la loro eccellente stabilità alle alte temperature, elevata densità di energia e caratteristiche di bassa perdita hanno mostrato un grande potenziale di applicazione nei veicoli a nuova energia, nelle reti intelligenti e nei campi di conversione energetica efficiente. Tuttavia, per sfruttare appieno i vantaggi prestazionali dei dispositivi SiC, è fondamentale selezionare il giusto substrato di confezionamento. Tra i numerosi tipi di substrati ceramici, il substrato in nitruro di silicio (Si3N4) brasato con metallo attivo (AMB) è gradualmente diventato la soluzione preferita per il confezionamento di dispositivi di potenza SiC con i suoi vantaggi unici. Lo scopo di questo documento è esplorare il motivo per cui i substrati ceramici AMB, in particolare i substrati Si3N4-AMB, si distinguono e soddisfano le esigenze di confezionamento dei dispositivi di potenza SiC per alta temperatura, alta potenza, elevata dissipazione del calore ed elevata affidabilità.
In quanto componente principale del pacchetto del dispositivo di potenza, le prestazioni del substrato ceramico influiscono direttamente sulle prestazioni complessive del dispositivo. Tradizionalmente, substrati di allumina (Al2O3) e i substrati di nitruro di alluminio (AlN) sono stati metallizzati mediante il processo di rivestimento diretto in rame (DBC) e, sebbene sia ampiamente utilizzato, i difetti intrinseci del processo DBC ne limitano l'applicazione in condizioni estreme. Nello specifico, a causa della mancata corrispondenza del coefficiente di dilatazione termica tra rame e ceramica alle alte temperature, lo strato di rame si stacca facilmente, compromettendo la stabilità e l'affidabilità della struttura del package.
Al contrario, la tecnologia di brasatura dei metalli attivi (AMB) raggiunge un legame chimico più forte tra rame e ceramica introducendo un metallo d'apporto attivo, aumentando significativamente la forza di legame dell'interfaccia. Questa tecnologia non solo risolve il problema della pelatura del substrato DBC ad alte temperature, ma consente anche l'uso di materiali ceramici con maggiore conduttività termica e migliori proprietà meccaniche, come il nitruro di silicio (Si3N4). Le ceramiche Si3N4 sono ideali per il processo AMB grazie alla loro elevata durezza, elevata tenacità alla frattura, buona stabilità termica ed eccellente conduttività termica.
Il substrato SI3N4-AMB combina le eccellenti proprietà della ceramica Si3N4 con l'elevata resistenza del processo AMB, dimostrando un'eccellente affidabilità in condizioni di servizio ad alta temperatura. Innanzitutto, la sua elevata conduttività termica garantisce un'efficace dissipazione del calore del dispositivo, riduce la temperatura operativa e prolunga la durata del dispositivo. In secondo luogo, le eccellenti proprietà meccaniche del Si3N4 migliorano la resistenza alla flessione e all'impatto del substrato, migliorando la robustezza del contenitore. Infine, la struttura saldata ermetica formata dal processo AMB può resistere efficacemente al cedimento dell'interfaccia causato dallo stress termico ad alta temperatura e garantire la stabilità a lungo termine della struttura del pacchetto.
In sintesi, il rapido sviluppo dei dispositivi di potenza SiC ha presentato requisiti più elevati per i substrati di imballaggio, e i substrati in nitruro di silicio (Si3N4) con metallo brasato attivo (AMB) sono perfettamente adatti alle esigenze di imballaggio dei dispositivi SiC con la loro elevata resistenza di legame, elevata resistenza termica conduttività, eccellenti proprietà meccaniche ed eccellente affidabilità alle alte temperature. Il substrato Si3N4-AMB non solo risolve il problema dello stripping dell'interfaccia del tradizionale substrato DBC ad alte temperature, ma fornisce anche un canale di dissipazione del calore più stabile ed efficiente per i dispositivi SiC, che è la chiave per promuovere i dispositivi di potenza SiC a una maggiore densità di potenza, un funzionamento più elevato temperatura e una gamma più ampia di applicazioni. Pertanto, i substrati ceramici AMB, in particolare i substrati Si3N4-AMB, sono senza dubbio diventati la soluzione preferita per il packaging dei dispositivi di potenza SiC, ponendo solide basi per il continuo progresso della tecnologia dell'elettronica di potenza.
