Siliziumnitrid-Substrate für die Leistungselektronik

Heutige Moduldesigns basieren in erster Linie auf Keramiksubstraten wie etwa Al₂O₃ (Aluminiumoxid) oder AlN (Aluminiumnitrid), aber die steigenden Leistungsanforderungen veranlassen Entwickler, fortschrittliche Substratalternativen wie Siliziumnitrid in Betracht zu ziehen. Ein Beispiel sind xEV-Anwendungen, bei denen eine Erhöhung der Chip-Temperatur von 150 °C auf 200 °C die Schaltverluste um zehn Prozent reduziert. Darüber hinaus tragen neue Materialtechnologien wie löt- und drahtgebundene Module dazu bei, dass die aktuellen Substrate eine Schwachstelle bilden.

Ein weiterer bedeutender Entwicklungsfaktor ist die Forderung nach längerer Lebensdauer unter rauen Bedingungen wie etwa bei Windkraftanlagen. Unter Berücksichtigung sämtlicher Umweltbedingungen haben sie eine zu erwartende Lebensdauer von 15 Jahren ohne Ausfälle; daher suchen Entwickler für diese Anwendung auch nach verbesserten Substrattechnologien.

Ein dritter Entwicklungsimpuls für verbesserte Substratoptionen geht von der zunehmenden Verwendung von SiC-Bauteilen aus. Die ersten Module, die auf SiC-Basis funktionieren und eine optimierte Materialtechnologie verwenden, zeigen eine Verlustreduzierung von 40 bis 70 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen Modulen, aber auch die Notwendigkeit der Entwicklung neuer Materialtechnologien einschließlich Siliziumnitrid-Substraten (Si₃N₄). All diese Trends werden die zukünftige Rolle traditioneller Al₂O₃- und AlN-Substrate einschränken, während Si₃N₄-Substrate in Zukunft die erste Wahl für das Design von Hochleistungsmodulen sein werden.

Aufgrund der hohen Biegebruchfestigkeit, der enormen Bruchzähigkeit und der guten Wärmeleitfähigkeit eignet sich Si₃Ni₄ besonders für leistungselektronische Substrate. Die Eigenschaften der Keramik und ein detaillierter Vergleich von Kenngrößen wie Teilentladung oder Risswachstum zeigen einen signifikanten Einfluss auf das endgültige Substratverhalten wie beispielsweise Wärmeleitfähigkeit und Temperaturwechselverhalten.

Die Haupteigenschaften bei der Auswahl der Isoliermaterialien für Leistungsmodule sind Wärmeleitfähigkeit, Biegebruchfestigkeit sowie Bruchzähigkeit. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit ist entscheidend für die schnelle Wärmeableitung in einem Leistungsmodul. Die Biegebruchfestigkeit ist wichtig für die Handhabung und Verwendbarkeit des Keramiksubstrats im Montageprozess, während die Bruchzähigkeit entscheidend für die Vorhersage der Zuverlässigkeit ist.

Tabelle 1: Die getesteten Materialien im Vergleich. Rogers

Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, weist Al₂O₃ (96 %) eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und niedrige mechanische Werte auf. Die Wärmeleitfähigkeit von 24 W/mK ist jedoch für viele der heutigen industriellen Standardanwendungen ausreichend. Der große Vorteil von AlN liegt in der sehr hohen Wärmeleitfähigkeit von 180 W/mK trotz moderater Zuverlässigkeit. Dies ist eine Folge der geringen Bruchzähigkeit und der ähnlichen Biegebruchfestigkeit wie bei Al₂O₃.

Die steigenden Anforderungen an die Zuverlässigkeit haben die Entwicklung von ZTA-Keramiken (zirkonoxid-gehärtetes Aluminiumoxid) in jüngster Zeit vorangetrieben. Diese Keramiken weisen eine deutlich höhere Biegebruchfestigkeit und Bruchzähigkeit auf. Allerdings liegt die Wärmeleitfähigkeit von ZTA-Keramiken im gleichen Bereich wie die von Standard-Al₂O₃ und ist daher in Hochleistungsanwendungen mit den höchsten Leistungsdichten nur bedingt einsetzbar.

Ein Vergleich zeigt, dass Si₃N₄ eine hohe Wärmeleitfähigkeit mit hoher mechanischer Leistung verbindet. Die Wärmeleitfähigkeit kann mit 90 W/mK spezifiziert werden, und sie besitzt die höchste Bruchzähigkeit der Vergleichskeramik (6,5 – 7 MPa/√m). Diese Eigenschaften lassen erwarten, dass Si₃N₄ die höchste Zuverlässigkeit als metallisiertes Substrat aufweisen wird.

Erfahren Sie auf der nächsten Seite, unter welchen Kriterien die Ingenieure die Substrate testeten und zu welchen Ergebnissen Sie kamen.

Zuverlässigkeit

In verschiedenen Tests untersuchten die Entwickler mehrere verschiedene metallisierte Substrate mit einem passiven thermischen Zyklenverfahren auf ihre Zuverlässigkeit. Alle Substratkombinationen sind in Tabelle 2 dargestellt. Für jede Kombination verwendeten sie das gleiche Design. Es gab keine zusätzlichen Designmerkmale wie Vertiefungen (Dimples) oder Stufenätzung, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Die Testbedingungen definierten sie wie folgt:

• Zweikammer-Prüfsysteme
• dT = 205 K (-55 bis +150 °C)
• Haltezeit 15 Minuten
• Wechselzeit <10 Sekunden.

Die verschiedenen Proben untersuchten die Entwickler mithilfe eines Ultraschallmikroskops auf Delamination und muschelförmige Ausbrüche:

• nach jeweils 5 Zyklen für Al₂O₃, HPS-9-% (ZTA) und AlN DBC
• nach jeweils 50 Zyklen für Siliziumnitrid-AMB (Aktivmetalllöten).

Tabelle 2: Metallisierte Materialien im Vergleich. Rogers

Muschelförmige Bruchstellen treten typischerweise bei Temperaturzyklen auf und wurden bei Al₂O₃-, HPS-9-%- und AlN-DBC-Substraten nachgewiesen. Im Allgemeinen entstehen diese Bruchstellen durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungswerte von Kupfer und Keramik bei Temperaturwechsel.

Die geringste Zuverlässigkeit im thermischen Zyklus beobachteten die Entwickler bei AlN-DBC-Substraten mit 35 Zyklen. Dieses Ergebnis lässt sich mit der niedrigsten gemessenen Bruchzähigkeit (K₁C = 3 – 3,4) der Keramik erklären. Diesem Resultat kommen Al₂O₃-DBC-Substrate mit 55 Zyklen sehr nahe. Bei den herkömmlichen Materialien erzielten die HPS-9-%-DBC-Substrate die beste Leistung und das bei einer doppelt so hohen Zuverlässigkeit (110 Zyklen) wie bei herkömmlichen Al₂O₃-Substraten.

Bei den Si₃N₄-AMB-Proben stellten die Entwickler keine Ausfälle bis 5000 Zyklen fest. Die Zuverlässigkeit ließ sich gegenüber HPS-9-%-DBC um das 45-fache steigern. Das Ergebnis von 5000 thermischen Zyklen erreicht Si₃N₄ durch die hohe Bruchzähigkeit (K1C = 6,5 – 7), obwohl die Biegebruchfestigkeit etwas niedriger ist als bei HPS-9-% (650 MPa und 700 MPa) ist.

Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass die Biegebruchfestigkeit von Keramiken, die zum Bau metallisierter Substrate verwendet werden, nicht ausschlaggebend für die Lebensdauer des Substrats ist. Die Bruchzähigkeit scheint die physikalische Eigenschaft der Keramik zu sein, die für die Vorhersage der Zuverlässigkeit am wichtigsten ist.

Abbildung 1: Oben: Das HPS-9-%-DBC-Substrat zeigt bereits nach 100 Thermozyklen einen muschelförmigen Bruch. Unten: Die Siliziumnitrid-Keramik ist nach mehr als 5000 Zyklen unbeschädigt. Rogers

Abbildung 1 zeigt Ultraschallbilder des wesentlichen Unterschiedes bei dem Ausfallmechanismus von HPS-9-%-DBC-Substraten und Si₃N₄-AMB-Substraten nach mehreren Thermozyklen. Während sich im Inneren der spröden HPS-9-%-Keramik ein muschelförmiger Bruch zeigt, ist die Si₃N₄-Keramik nach mehr als 5000 Zyklen noch unbeschädigt.

Wie die Substrate hinsichtlich ihrer thermischen Leistungen abschnitten, lesen Sie auf der nächsten Seite.

Thermische Leistung

Fünf verschiedene Gruppen metallisierter Substratproben wurden im Hinblick auf den Wärmewiderstand (R_th) gemessen. Das Diagramm 1 zeigt die Ergebnisse der thermischen Widerstandsprüfung. Alle Proben, die für diese Analyse des Wärmewiderstands verwendet wurden, wurden beidseitig mit einer 0,3 mm dicken Kupferschicht metallisiert.

Diagramm 1: Thermische Widerstandsprüfung der Materialien. Rogers

Erwartungsgemäß ergab das Al₂O₃-Substrat (0,63 mm) den höchsten R_th-Wert. Dies hängt mit der geringen Wärmeleitfähigkeit von Al₂O₃ (24W/mK) zusammen. Die R_th-Werte der HPS-9-%-DBC-Substrate (0,32 mm) und der Al₂O₃-DBC-Substrate (0,32 mm) lagen im gleichen Bereich. Das AlN-DBC-Substrat mit der höchsten Wärmeleitfähigkeit von 180 W/mK hatte trotz einer 0,63 mm dicken Keramikschicht den niedrigsten R_th-Wert. Die Wärmeleitfähigkeit von Si₃N₄ (90W/mK), die halb so groß ist wie die von AlN, stellt den Grund dar, warum das Si₃N₄-AMB-Substrat einen ähnlichen R_th-Wert wie das AlN-DBC-Substrat aufweist. Dieses wird durch die Verwendung der Hälfte der Keramikdicke erreicht (0,32 mm für Si₃N₄ gegenüber 0,63 mm für AlN).

Fazit

Die steigende Nachfrage nach längeren Lebenszyklen und höherer thermischer Leistung in Leistungsmodulen lässt sich mit hochfestem Si₃N₄-Isoliermaterial realisieren. Beim Vergleich der Si₃N₄-AMB-Technologie (Aktives Hartlöten) mit herkömmlichen HPS-9-%-DBC-Keramikmaterialien ergab die Untersuchung eine Verbesserung der Zuverlässigkeit von Siliziumnitrid um den Faktor 50. Die besseren mechanischen Eigenschaften der Siliziumnitrid-Keramik, insbesondere die sehr hohe Bruchzähigkeit (K₁C), tragen zu ihrer erhöhten Zuverlässigkeit bei. Darüber hinaus ermöglicht die höhere Festigkeit von Si₃N₄ die Verwendung mit einem dünneren Querschnitt, wodurch die thermische Leistung mit der von AlN vergleichbar ist.

(prm)