Da sich der weltweite Übergang zu Elektrofahrzeugen und erneuerbaren Energien beschleunigt, war die Nachfrage nach leistungsstärkerer, effizienterer und zuverlässigerer Leistungselektronik noch nie so groß. Das Herzstück dieser Systeme ist eine kritische Komponente, die extremen Temperaturwechseln, hohen Spannungen und rauen Betriebsbedingungen standhalten muss: das Leistungsmodulsubstrat. Für Beschaffungsmanager und Entwicklungsingenieure, die Leistungswandler der nächsten Generation bauen möchten, haben sich Active Metal Brazed (AMB)-Keramiksubstrate – insbesondere solche aus Siliziumnitrid (Si₃N₄) und Aluminiumnitrid (AlN) – als Basistechnologie erwiesen. In diesem Artikel wird untersucht, warum AMB-Substrate für Siliziumkarbid (SiC) und fortschrittliche IGBT-Module unverzichtbar werden.
Der AMB-Vorteil: Jenseits der traditionellen Bindung
Aktives Metalllöten (AMB) ist ein fortschrittliches Metallisierungsverfahren, das mithilfe einer reaktiven Hartlotfolie, die aktive Elemente wie Titan (Ti) enthält, eine metallurgische Verbindung zwischen Kupfer und Keramik herstellt. Im Gegensatz zu herkömmlichem Direct Bonded Copper (DBC) , das auf der Oxidbindung beruht, bildet AMB eine chemische Bindung, die von Natur aus stärker und zuverlässiger ist, insbesondere bei schwer zu verbindenden Keramiken wie Siliziumnitrid.
Warum AMB für hochzuverlässige Anwendungen überlegen ist:
- Höhere Haftfestigkeit: Die Schälfestigkeit liegt typischerweise über 80 N/cm, verglichen mit 15–25 N/cm bei DBC, wodurch das Risiko einer Delaminierung praktisch ausgeschlossen ist.
- Überlegene Temperaturwechselleistung: Hält mehr als 5.000 Zyklen (-55 °C bis 150 °C) stand und übertrifft DBC in anspruchsvollen Automobil- und Industrieumgebungen bei weitem.
- Hervorragende Hohlraumkontrolle: Der Vakuumlötprozess minimiert Hohlräume an der Kupfer-Keramik-Grenzfläche und sorgt so für eine optimale Wärmeübertragung.
- Kompatibilität mit Hochleistungskeramik: Ermöglicht die Verwendung von Hochleistungskeramiken wie Si₃N₄, die sich nur schwer oder gar nicht mit DBC verbinden lassen.
Auswahl der richtigen Keramik: Si₃N₄ vs. AlN AMB
Die Wahl zwischen Si₃N₄ und AlN als Keramikbasis für AMB-Substrate hängt von den spezifischen Herausforderungen Ihrer Anwendung ab. Beide bieten Vorteile gegenüber herkömmlichen Aluminiumoxidsubstraten (Al₂O₃) .
Siliziumnitrid (Si₃N₄) AMB: Der Zähigkeits-Champion
Si₃N₄ AMB-Substrate zeichnen sich in Anwendungen aus, bei denen mechanische Zuverlässigkeit unter extremer Belastung von größter Bedeutung ist.
- Außergewöhnliche Bruchzähigkeit: 6-8 MPa·m¹/² (im Vergleich zu 3-4 für Al₂O₃) bietet hervorragenden Widerstand gegen Rissausbreitung.
- Hervorragende CTE-Übereinstimmung mit SiC: 3,2 ppm/K für Si₃N₄ gegenüber 3,7 ppm/K für SiC, wodurch die thermomechanische Belastung in WBG-Leistungsmodulen minimiert wird.
- Hohe Biegefestigkeit: >900 MPa, also 3-5 mal stärker als Al₂O₃.
- Ideal für: Antriebsumrichter für Kraftfahrzeuge (insbesondere 800-V-Architekturen), Industrieantriebe mit hohen Vibrationen und Energiesysteme für die Luft- und Raumfahrt.
Unser kupferkaschiertes Si₃N₄ AMB-Substrat für SiC-Module wurde speziell für diese anspruchsvollen Anwendungen entwickelt.
Aluminiumnitrid (AlN) AMB: Der Spitzenreiter bei der thermischen Leistung
Bei AlN-AMB-Substraten steht die maximale Wärmeableitung für Anwendungen mit höchster Leistungsdichte im Vordergrund.
- Überlegene Wärmeleitfähigkeit: 170–200 W/m·K (im Vergleich zu ~25 W/m·K für Al₂O₃ und ~90 W/m·K für Si₃N₄).
- Gute CTE-Übereinstimmung: 4,5 ppm/K, immer noch gute Übereinstimmung mit SiC und ausgezeichnete Übereinstimmung mit GaN.
- Hervorragende elektrische Isolierung: Hohe Spannungsfestigkeit und geringer dielektrischer Verlust.
- Ideal für: Module mit extrem hoher Leistungsdichte, HF-Leistungsverstärker und Anwendungen, bei denen das Wärmemanagement die wichtigste Einschränkung darstellt.
Unser kupferkaschiertes Aluminiumnitrid-Keramik-AMB-Substrat liefert diese erstklassige Wärmeleistung.
Primäre Anwendungsdomänen
AMB-Substrate ermöglichen Technologien in mehreren wachstumsstarken Sektoren:
- Antriebsstränge für Elektrofahrzeuge: Hauptwechselrichter, DC/DC-Wandler und Bordladegeräte, insbesondere für 800-V-Architekturen mit SiC-MOSFETs.
- Erneuerbare Energie: Solarwechselrichter und Windkraftkonverter, bei denen langfristige Zuverlässigkeit im Außenbereich von entscheidender Bedeutung ist.
- Industrielle Motorantriebe: Hochleistungsantriebe mit variabler Frequenz (VFDs) für Fertigungs-, Bergbau- und HVAC-Systeme.
- Schienenverkehr: Traktionsumrichter für elektrische Züge und Straßenbahnen.
- Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV): Hochzuverlässige Notstromsysteme für Rechenzentren und Industrie.
5 wichtige Überlegungen zur Beschaffung von AMB-Substraten
Zuverlässigkeitsdaten und Feldleistungsverlauf
Fordern Sie umfassende Power-Cycling-Testberichte (z. B. gemäß der Automobilnorm AQG324) und Daten zu Thermoschocktests an . Stellen Sie bei Automobilanwendungen sicher, dass der Lieferant Erfahrung mit den erforderlichen Qualifikationstests hat und Feldzuverlässigkeitsdaten aus ähnlichen Anwendungen bereitstellen kann.
Materialqualität und -konsistenz
Die Leistung von AMB-Substraten hängt stark von der Keramikqualität ab. Stellen Sie sicher, dass der Lieferant hochreine, konsistente Keramikmaterialien mit zertifizierten Eigenschaften verwendet. Überprüfen Sie für Si₃N₄ die Bruchzähigkeitswerte; Bestätigen Sie für AlN die Wärmeleitfähigkeitsmessungen. Dieses Qualitätsniveau ähnelt den Anforderungen für andere wichtige elektronische Keramikprodukte .
Bindungsintegrität und Hohlraumanalyse
Die AMB-Bondschnittstelle muss nahezu fehlerfrei sein. Fordern Sie Ultraschallbilder (C-Scan) an, die die Hohlraumverteilung zeigen. Der akzeptable Hohlraumanteil sollte für Substrate in Automobilqualität unter 1–2 % liegen. Überprüfen Sie auch die Ergebnisse des Schälfestigkeitstests (>80 N/cm ist typisch für hochwertiges AMB).
Designunterstützung und Anpassungsfähigkeit
Die Designs von Leistungsmodulen sind hochspezialisiert. Bewerten Sie, ob der Lieferant umfassende OEM/ODM-Dienste anbieten kann, einschließlich kundenspezifischer Substratformen, komplexer Kupfermusterung, integrierter thermischer Durchkontaktierungen und Unterstützung bei der thermischen und mechanischen Simulation. Ihre Fähigkeit, mit Ihren spezifischen DBC- oder AMB-Designanforderungen zu arbeiten, ist von entscheidender Bedeutung.
Widerstandsfähigkeit der Lieferkette und Automotive Compliance
Überprüfen Sie für Automobilanwendungen die IATF 16949-Zertifizierung. Bewerten Sie die Produktionskapazität des Lieferanten im Hinblick auf eine Skalierung mit Ihren Mengenanforderungen und seiner Rohstoffbeschaffungsstrategie. Ein vertikal integrierter Hersteller mit Kontrolle über Keramikproduktions- und Metallisierungsprozesse bietet in der Regel eine bessere Konsistenz und Liefersicherheit.
Branchentrends und Technologietreiber
Übergang zu 800-V-EV-Architekturen und Halbleitern mit großer Bandlücke
Die Umstellung der Automobilindustrie auf 800-V-Systeme, um schnelleres Laden und höhere Effizienz zu ermöglichen, treibt die Einführung von SiC-Stromversorgungsgeräten voran. Diese Geräte arbeiten bei höheren Temperaturen und Schaltfrequenzen, weshalb die überlegenen thermischen und mechanischen Eigenschaften von Si₃N₄-AMB-Substraten für die Zuverlässigkeit unerlässlich sind.
Nachfrage nach höherer Leistungsdichte und Miniaturisierung
Der Drang nach kleineren, leistungsstärkeren Modulen erfordert Substrate, die höhere Stromdichten und Wärmeflüsse bewältigen können. Die AMB-Technologie unterstützt dickere Kupferschichten (bis zu 2 mm) für eine hohe Stromkapazität und sorgt gleichzeitig für eine hervorragende thermische Leistung durch die Keramik.
Integration und fortschrittliche Verpackungstechniken
Es besteht ein wachsendes Interesse an der Integration weiterer Funktionen in das Leistungsmodul, einschließlich Gate-Treibern und Sensoren. Dies treibt Innovationen im Substratdesign voran und kombiniert möglicherweise AMB für Leistungsgeräte mit DPC-Technologie für Fine-Pitch-Steuerschaltungen auf demselben Substrat.
Best Practices für Handhabung und Integration
Um eine optimale Leistung von AMB-Substraten in Ihren Leistungsmodulen sicherzustellen:
- ESD-Schutz: Behandeln Sie Substrate immer in einer ESD-sicheren Umgebung, um Schäden an empfindlichen Halbleiterbauelementen während der Montage zu vermeiden.
- Richtige Reinigung: Reinigen Sie die Substrate vor dem Anbringen des Chips mit geeigneten Lösungsmitteln (IPA), um alle Verunreinigungen zu entfernen, die die Verbindung beeinträchtigen könnten.
- Wärmeschnittstellenmanagement: Wenn Sie das Substrat an einem Kühlkörper befestigen, verwenden Sie geeignete Wärmeschnittstellenmaterialien (TIMs) und achten Sie auf einen gleichmäßigen Druck, um den Wärmewiderstand zu minimieren.
- Vermeiden Sie mechanische Belastungen: Setzen Sie Substrate während der Handhabung oder Montage keiner Biege- oder Torsionsbelastung aus, da Keramik spröde ist.
- Lagerbedingungen: In einer trockenen, sauberen Umgebung lagern, um eine Oxidation der Kupferoberflächen oder eine Kontamination zu verhindern.
Relevante Industriestandards und Qualifikationen
AMB-Substrate für Leistungsmodule müssen strenge Industriestandards erfüllen:
- AQG 324: Richtlinie zur „Qualifizierung von Leistungsmodulen für den Einsatz in leistungselektronischen Wandlereinheiten in Kraftfahrzeugen“ – der De-facto-Standard für Kfz-Leistungsmodule.
- IEC 60747 / IEC 62047: Normen für Halbleitergeräte und mikroelektromechanische Geräte, relevant für Verpackungs- und Zuverlässigkeitstests.
- JEDEC-Standards: Wie JESD22 für Zuverlässigkeitstestmethoden (Wärmewechsel, Leistungswechsel).
- ISO 16750: Straßenfahrzeuge – Umweltbedingungen und Prüfungen für elektrische und elektronische Geräte.
- UL 94: Norm für die Entflammbarkeit von Kunststoffmaterialien, relevant für die allgemeine Modulsicherheit.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
F: Wann sollten wir Si₃N₄ AMB gegenüber AlN AMB wählen?
A: Wählen Sie Si₃N₄ AMB , wenn Ihr Hauptanliegen die mechanische Zuverlässigkeit bei extremen Temperaturwechseln oder in Umgebungen mit starken Vibrationen (z. B. Traktionswechselrichter für Kraftfahrzeuge) ist. Seine überlegene Bruchzähigkeit und die hervorragende WAK-Übereinstimmung mit SiC machen es ideal für diese Bedingungen. Wählen Sie AlN AMB , wenn maximale Wärmeableitung bei Designs mit sehr hoher Leistungsdichte Priorität hat, insbesondere wenn GaN-Geräte verwendet werden oder mit extrem hohen Frequenzen betrieben werden.
F: Welche typischen Kupferdickenoptionen gibt es für AMB-Substrate?
A: Die AMB-Technologie unterstützt ein breites Spektrum an Kupferdicken, typischerweise von 0,3 mm bis 2,0 mm. Standardangebote umfassen häufig Konfigurationen mit 0,3 mm/0,3 mm (oben/unten) oder 0,8 mm/0,3 mm. Dickeres Kupfer ermöglicht eine höhere Strombelastbarkeit, erfordert jedoch möglicherweise Designanpassungen zum Ätzen feinerer Merkmale. Kundenspezifische Dickenkombinationen sind oft über OEM/ODM-Dienste erhältlich.
F: Wie sind die Kosten von AMB im Vergleich zu DBC?
A: AMB-Substrate sind aufgrund des komplexeren Vakuumlötprozesses und oft teurerer Keramik (Si₃N₄, AlN vs. Al₂O₃) typischerweise 1,5- bis 3-mal teurer als gleichwertige DBC-Substrate. Bei Anwendungen, bei denen Zuverlässigkeit von entscheidender Bedeutung ist (Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrtindustrie, Industrie), sind die Gesamtbetriebskosten (TCO) jedoch aufgrund der deutlich längeren Lebensdauer, geringerer Garantieansprüche und einer höheren Systemeffizienz aufgrund einer besseren thermischen Leistung häufig niedriger.
F: Können AMB-Substrate für Hochfrequenz-HF-Anwendungen verwendet werden?
A: Ja, insbesondere AlN AMB- Substrate. Die hervorragende Wärmeleitfähigkeit von AlN in Kombination mit seinen guten dielektrischen Eigenschaften (geringer Verlustfaktor) macht es für Hochleistungs-HF-Anwendungen geeignet. Die mit AMB erreichbaren dicken Kupferschichten kommen auch HF-Designs zugute, indem sie Leiterverluste reduzieren. Für die anspruchsvollsten HF-Schaltkreise wird möglicherweise die DPC-Technologie wegen ihrer feineren Funktionsmerkmale bevorzugt, aber AMB bietet Vorteile für höhere Leistungsstufen.
Wichtige Fähigkeiten, auf die Sie bei einem AMB-Lieferanten achten sollten
Die Auswahl des richtigen AMB-Substratpartners erfordert die Bewertung mehrerer wichtiger Fähigkeiten:
- Vertikale Integration: Die Kontrolle über die Formulierung, Formung, Sinterung und Metallisierungsprozesse von Keramikpulver gewährleistet Konsistenz und Rückverfolgbarkeit.
- Fortschrittliche Fertigungsausrüstung: Einschließlich Vakuumlötöfen mit präziser Temperatur- und Atmosphärenkontrolle, fortschrittlichen Strukturierungs- und Ätzfunktionen und umfassenden Inspektionssystemen (Ultraschallscannen, Röntgen usw.).
- Materialwissenschaftliche Expertise: Tiefes Verständnis der keramischen Eigenschaften, der Formulierungen von Hartlotlegierungen und ihrer Wechselwirkungen unter thermischer und mechanischer Belastung.
- Qualitätsmanagement: Zertifizierungen wie IATF 16949 für Automotive, ISO 9001 und robuste Prozesskontrolle mit statistischen Methoden.
- Anwendungstechnische Unterstützung: Fähigkeit zur Zusammenarbeit beim thermischen und mechanischen Design, zur Bereitstellung von Simulationsunterstützung und zur Unterstützung bei der Fehleranalyse.
