Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Қуат электроникасындағы субстраттың рөлі – электр тізбегін құруға қажетті қосылыстарды жасау (мысалы, баспалы схема тәрізді) және компоненттерді салқындату. Төмен қуатты микроэлектроникада қолданылатын материалдар мен технологияларға қарағанда, бұл субстраттар жоғары ток күшін өткізуге және жоғары кернеуден оқшаулауға (бірнеше мың вольтқа дейін) қабілетті болуы керек. Сонымен қатар, олар кең температуралық диапазонды (150 немесе 200 °C-қа дейін) қамтитын жағдайда жұмыс істеуі тиіс.
The role of the substrate in power electronics is to provide the interconnections to form an electric circuit (like a printed circuit board), and to cool the components. Compared to materials and techniques used in lower power microelectronics, these substrates must carry higher currents and provide a higher voltage isolation (up to several thousand volts). They also must operate over a wide temperature range (up to 150 or 200 °C).
Активі металл пісірілген (AMB) субстрат
AMB металл фольгадан тұрады, ол керамикалық негізге құйма пастасы және жоғары температура (800 °C – 1000 °C) қолданылып, вакуумде қосылады. AMB электрлік қасиеттері DBC-ге өте ұқсас болғанымен, ерекше өндіріс процесінің талаптарына байланысты көбінесе шағын партиялармен шығарылады.
AMB consists of a metal foil soldered to the ceramic baseplate using solder paste and high temperature (800 °C – 1000 °C) under vacuum. Although AMB is electrically very similar to DBC, it is typically suited for small production lots due to the unique process requirements.
Металл субстратты оқшаулау (IMS)
IMS металл негіз тақтасынан (алюминий оның төмен құны мен тығыздығы себепті жиі қолданылады) диэлектриктің жұқа қабатымен (әдетте эпоксид негізді қабат) және мыс қабатымен (35 мкм-ден 200 мкм-ге дейін қалыңдығымен) жабылған. FR4 негізіндегі диэлектрик әдетте жұқа болады (шамамен 100 мкм), себебі DBC субстраттарында қолданылатын керамикаға қарағанда оның жылу өткізгіштігі нашар. Құрылымы бойынша IMS бір жақты субстрат болып табылады, яғни ол тек мыс жағында компоненттерді орналастыруға мүмкіндік береді. Көптеген қолданбаларда негіз тақтасы жылуды тарату үшін радиаторға бекітіледі, әдетте жылу пастасы және бұрандалар қолданылады. Кейбір IMS субстраттары жақсы жылу өткізгіштік үшін мыс негіз тақтасымен де қол жетімді. Классикалық басылған схемалық тақтамен салыстырғанда, IMS жақсырақ жылуды таратуды қамтамасыз етеді. Бұл бетке орнатылатын компоненттерді тиімді салқындатудың ең оңай жолдарының бірі.
IMS consists of a metal baseplate (aluminium is commonly used because of its low cost and density) covered by a thin layer of dielectric (usually an epoxy based layer) and a layer of copper (35 μm to more than 200 μm thick). The FR 4 based dielectric is usually thin (about 100 μm) because it has poor thermal conductivity compared to the ceramics used in DBC substrates. Due to its structure, the IMS is a single sided substrate, i. e. it can only accommodate components on the copper side. In most applications, the baseplate is attached to a heatsink to provide cooling, usually using thermal grease and screws. Some IMS substrates are available with a copper baseplate for better thermal performances. Compared to a classical printed circuit board, the IMS provides a better heat dissipation. It is one of the simplest ways to provide efficient cooling to surface mount components.
Басқа субстраттар
Қуат құрылғылары тиісті жылу шығару құрылғысына (heatsink) орнатылғанда, жылу тиімді субстрат қажет болмайды. Классикалық баспа схемалық тақта (PCB) материалы қолданылуы мүмкін (бұл әдіс әдетте тесік арқылы орнатылатын компоненттермен қолданылады). Бұл төмен қуатты қолданбалар үшін де (бірнеше милливатттан бірнеше ваттқа дейін) дұрыс, себебі ПХБ-ны жылулық виалар немесе кең жолдарды пайдалану арқылы конвекцияны жақсарту арқылы термиялық жағынан күшейтуге болады. Бұл әдістің артықшылығы – көп қабатты ПХБ күрделі схемаларды жобалауға мүмкіндік береді, ал DBC және IMS көбінесе бір жақты технологиялар болып табылады. Төмен қуатты қолданбалар үшін икемді субстраттарды да пайдалануға болады. Олар Каптонды диэлектрик ретінде пайдаланып жасалғандықтан, жоғары температура мен жоғары кернеуге төтеп бере алады. Олардың икемділігі жылу циклдарынан туындаған зақымдарға төзімді етеді. Керамикалық субстраттар (қалың пленкалы технология) сенімділік ең маңызды болып табылатын кейбір қолданбаларда (мысалы, автомобиль өнеркәсібінде) да қолданылуы мүмкін. DCB-мен салыстырғанда, қалың пленкалы технология жобалау еркіндігінің жоғары деңгейін ұсынады, бірақ шығындар жағынан тиімді болмауы мүмкін. IMS, DBC және қалың пленкалы субстраттардың жылулық сипаттамалары Van Godbold, C., Sankaran, V. A. және Hudgins, J. L. еңбектерінде, IEEE Transactions on Power Electronics, 12-том, 1-сан, 1997 жылғы қаңтар, 3–11 беттер, ISSN 0885 8993 (кіру құқығы шектеулі) бағаланады.
When the power devices are attached to a proper heatsink, there is no need for a thermally efficient substrate. Classical printed circuit board (PCB) material can be used (this method is typically used with through hole technology components). This is also true for low power applications (from some milliwatts to some watts), as the PCB can be thermally enhanced by using thermal vias or wide tracks to improve convection. An advantage of this method is that multilayer PCB allows design of complex circuits, whereas DBC and IMS are mostly single sided technologies. Flexible substrates can be used for low power applications. As they are built using Kapton as a dielectric, they can withstand high temperatures and high voltages. Their intrinsic flexibility makes them resistant to thermal cycling damage. Ceramic substrates (thick film technology) can also be used in some applications (such as automotive) where reliability is of highest importance. Compared to DCBs, thick film technology offers a higher degree of design freedom but may be less cost efficient. The thermal performances of IMS, DBC and thick film substrate are evaluated in Thermal analysis of high power modules Van Godbold, C., Sankaran, V. A. and Hudgins, J. L., IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 12, N° 1, Jan 1997, pages 3–11, ISSN 0885 8993 (restricted access)