Керамическая PCB - Печатная плата на основе карбида кремния (SiC)

Печатные платы на основе карбида кремния известны своими превосходными тепловыми и электрическими характеристиками, а также способностью работать в условиях высоких температур и агрессивной среды. Они применяются в высокотемпературной и силовой электронике. Развитие новых энергетических транспортных средств и рост требований к плотности мощности мобильных приложений выдвигают новые требования к технологиям корпусирования силовых устройств SiC. Современные технологии корпусирования в основном развиваются на базе IGBT и MOSFET, однако этих улучшений уже недостаточно для полного раскрытия потенциала SiC-компонентов, поэтому технологии упаковки требуют дальнейшего развития. Характеристики SiC-устройств, такие как низкие внутренние потери, высокое напряжение, высокая частота и высокая температура эксплуатации, создают новые требования и вызовы для технологий упаковки.

Основу современных технологий корпусирования составляют соединения и технологии пайки. Для силовых модулей соединение между кристаллом и основанием называют ближним соединением чипа, а остальные соединения — дальними соединениями. В литературе также используются термины attach, contact connection, join, joining и bonding. Пайка применяется для соединения нижней части чипа с подложкой, а также для системных соединений между подложкой и теплоотводящим основанием. Традиционно используется припой SAC (SnAgCu). В последние годы появились различные технологии соединения, включая спекание серебра и медные соединения, а также выводы в форме проволоки или ленты, соединяющие верхнюю часть чипа с подложкой или корпусом модуля. Обычно применяются ультразвуковые или термокомпрессионные методы. Ранее металлизация поверхности силовых чипов обычно содержала Al или Al с небольшим количеством Si и Cu. Соединение чипа формируется через металлический интерметаллический слой, образованный пайкой между поверхностью подложки и металлом. Металлические слои на обеих сторонах подложки обычно выполняются из Cu и соединяются с теплоотводящей подложкой пайкой. Материалом теплоотводящей подложки обычно служит AlSiC или медь с покрытием.

Хотя характеристики этих соединительных технологий удовлетворяли требованиям большинства IGBT-приложений, в последние годы развитие полупроводниковых технологий значительно ускорилось. В настоящее время ключевые технологии корпусирования силовых устройств значительно продвинулись вперед как в исследованиях, так и в промышленном применении. Помимо существующих методов соединения и упаковки, заметный прогресс достигнут и в технологиях медных соединений. Однако по показателям электрического и теплового сопротивления, механической прочности и надежности этих улучшений все еще недостаточно, поэтому в отрасли активно исследуются новые решения.

Печатная плата из керамики SiC

Материал карбида кремния обладает высокой теплопроводностью и является идеальным выбором для высокотемпературных печатных плат, используемых, например, в автомобильной электронике и аэрокосмической технике. Кроме того, карбид кремния отличается высокой термостойкостью и низкими потерями энергии. Однако стоимость карбида кремния достаточно высока, а обработка затруднена из-за высокой твердости материала.

Даже при температуре 1400°C карбид кремния сохраняет высокую прочность, отличную теплопроводность, высокое электрическое сопротивление, хорошие полупроводниковые свойства и высокую твердость. Карбид кремния по своим свойствам близок к алмазу, отличаясь лишь пропорциями характеристик. Поэтому печатные платы на основе карбида кремния обладают очень высокой теплоотдачей. Благодаря этому такие платы подходят для лазерных применений и могут работать при температурах около 1000°C. Карбид кремния сочетает свойства кремния и керамики, поэтому ближе к полупроводниковым материалам. В отличие от обычных керамических печатных плат, печатные платы на основе карбида кремния не обладают высокой электрической изоляцией.