Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Роль подложки в силовой электронике заключается в обеспечении электрических соединений для формирования электрической цепи (например, как печатная плата) и отвода тепла от компонентов. По сравнению с материалами и технологиями, используемыми в микроэлектронике меньшей мощности, эти подложки должны выдерживать более высокие токи и обеспечивать более высокую электрическую изоляцию (до нескольких тысяч вольт). Они также должны функционировать в широком диапазоне температур (до 150 или 200 °C).
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).
Подложка с активным металлическим ковшим (AMB)
AMB состоит из металлической фольги, припаянной к керамической подложке с использованием припоя и высокой температуры (800 °C – 1000 °C) в вакууме. Несмотря на высокую электрическую схожесть с DBC, AMB обычно используется для мелкосерийного производства из-за специфических технологических требований.
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.
Изолированный металлический субстрат (IMS)
IMS состоит из металлической основной пластины (алюминий обычно используется из-за его низкой стоимости и плотности), покрытой тонким слоем диэлектрика (обычно слоем на основе эпоксидной смолы) и слоем меди (толщиной от 35 мкм до более чем 200 мкм). Диэлектрик на основе FR-4 обычно тонкий (около 100 мкм), поскольку он обладает низкой теплопроводностью по сравнению с керамикой, используемой в подложках DBC. Благодаря своей структуре, IMS является односторонней подложкой, то есть она может размещать компоненты только на медной стороне. В большинстве применений основная пластина крепится к радиатору для обеспечения охлаждения, как правило, с использованием термопасты и винтов. Некоторые подложки IMS доступны с медной основной пластиной для повышения тепловых характеристик. По сравнению с традиционной печатной платой, IMS обеспечивает лучшее теплоотведение. Это один из самых простых способов эффективного охлаждения поверхностно-монтируемых компонентов.
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.
Другие субстраты
Когда силовые устройства устанавливаются на подходящий радиатор, нет необходимости в теплоэффективной подложке. Можно использовать классический материал печатных плат (PCB) – этот метод обычно применяется с компонентами выводного монтажа. Это также верно для маломощных приложений (от нескольких милливатт до нескольких ватт), поскольку теплопроводность печатной платы может быть увеличена за счет использования тепловых переходных отверстий или широких дорожек для улучшения конвекции. Преимущество этого метода заключается в том, что многослойные печатные платы позволяют создавать сложные схемы, в то время как DBC и IMS в основном являются односторонними технологиями. Гибкие подложки могут применяться в маломощных приложениях. Поскольку они изготавливаются с использованием каптона в качестве диэлектрика, они способны выдерживать высокие температуры и напряжения. Их естественная гибкость обеспечивает устойчивость к повреждениям, вызванным тепловыми циклами. Керамические подложки (технология толстой пленки) также могут использоваться в некоторых областях применения, таких как автомобильная промышленность, где надежность имеет первостепенное значение. По сравнению с DBC, технология толстой пленки обеспечивает большую свободу проектирования, но может быть менее экономически выгодной. Тепловые характеристики IMS, DBC и подложек на основе толстой пленки оцениваются в работе Van Godbold, C., Sankaran, V. A. и Hudgins, J. L., «Thermal analysis of high power modules», IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 12, N° 1, Jan 1997, pages 3–11, ISSN 0885 8993 (доступ ограничен).
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)