Sustrato electrónico de potencia

En la electrónica de potencia, el sustrato sirve para proporcionar las interconexiones que forman un circuito eléctrico (como una placa de circuito impreso ) y para refrigerar los componentes. En comparación con los materiales y las técnicas utilizadas en la microelectrónica de baja potencia , estos sustratos deben soportar corrientes más elevadas y ofrecer un mayor aislamiento de voltaje (hasta varios miles de voltios). Además, deben funcionar en un amplio rango de temperaturas (hasta 150 o 200  °C).

Los sustratos DBC se utilizan comúnmente en módulos de potencia debido a su excelente conductividad térmica . ^{[ 1 ]} Están compuestos por una placa de material cerámico con una lámina de cobre adherida a uno o ambos lados mediante un proceso de oxidación a alta temperatura (el cobre y el sustrato se calientan a una temperatura cuidadosamente controlada en una atmósfera de nitrógeno que contiene aproximadamente 30 ppm de oxígeno; bajo estas condiciones, se forma un eutéctico cobre-oxígeno que se adhiere con éxito tanto al cobre como a los óxidos utilizados como sustratos). La capa superior de cobre puede preformarse antes de la cocción o grabarse químicamente utilizando tecnología de circuitos impresos para formar un circuito eléctrico, mientras que la capa inferior de cobre generalmente se deja lisa. El sustrato se fija a un disipador de calor soldando la capa inferior de cobre a este.

Una técnica relacionada utiliza una capa de semillas, fotoimpresión y, posteriormente, un recubrimiento adicional de cobre para crear líneas finas (de tan solo 50 micrómetros) y vías pasantes que conectan las caras frontal y posterior. Esto se puede combinar con circuitos basados ​​en polímeros para crear sustratos de alta densidad que eliminan la necesidad de conectar directamente los dispositivos de potencia a los disipadores de calor. ^{[ 2 ]}

Una de las principales ventajas del DBC frente a otros sustratos de electrónica de potencia es su bajo coeficiente de dilatación térmica , similar al del silicio (en comparación con el cobre puro ). Esto garantiza un buen rendimiento en ciclos térmicos (hasta 50 000 ciclos). ^{[ 3 ]} Los sustratos DBC también presentan un excelente aislamiento eléctrico y buenas características de disipación de calor. ^{[ 4 ]}

Los materiales cerámicos utilizados en DBC incluyen:

• _La alúmina (Al₂O₃ ₎ se usa comúnmente debido a su bajo costo. Sin embargo , no es un buen conductor térmico (24-28 W/mK) y es frágil. ^{[ 5 ]}
• El nitruro de aluminio (AlN), que es más caro, pero tiene un rendimiento térmico mucho mejor (> 150 W/mK).
• Nitruro de silicio (SiN) (90 W/mK)
• HPS (alúmina con 9% ZrO ₂ dopado) (26 W/mK)
• El óxido de berilio (BeO), que tiene un buen rendimiento térmico, a menudo se evita debido a su toxicidad cuando el polvo se ingiere o se inhala.

El AMB consiste en una lámina metálica soldada a la placa base cerámica mediante pasta de soldadura y sometida a altas temperaturas (800  °C – 1000  °C) al vacío. Si bien el AMB es eléctricamente muy similar al DBC, suele ser más adecuado para lotes de producción pequeños debido a los requisitos específicos de su proceso.

El IMS consta de una placa base metálica ( el aluminio se usa comúnmente debido a su bajo costo y densidad) cubierta por una capa delgada de dieléctrico (generalmente a base de epoxi) y una capa de cobre (de 35  μm a más de 200  μm de espesor). El dieléctrico a base de FR-4 suele ser delgado (alrededor de 100 μm) debido a su baja conductividad térmica en comparación con las cerámicas utilizadas en los sustratos DBC.

Debido a su estructura, el sustrato IMS es de una sola cara, lo que significa que solo admite componentes en la cara de cobre. En la mayoría de las aplicaciones, la placa base se fija a un disipador de calor para proporcionar refrigeración, generalmente mediante pasta térmica y tornillos. Algunos sustratos IMS están disponibles con una placa base de cobre para un mejor rendimiento térmico.

En comparación con una placa de circuito impreso clásica, el IMS proporciona una mejor disipación de calor. Es una de las formas más sencillas de proporcionar refrigeración eficiente a los componentes de montaje superficial . ^{[ 6 ] [ 7 ]}

• Cuando los dispositivos de potencia se conectan a un disipador de calor adecuado , no se requiere un sustrato térmicamente eficiente. Se puede utilizar material de placa de circuito impreso (PCB) clásico (este método se usa típicamente con componentes de tecnología de orificio pasante ). Esto también es válido para aplicaciones de baja potencia (desde algunos milivatios hasta algunos vatios), ya que la PCB se puede mejorar térmicamente mediante el uso de vías térmicas o pistas anchas para mejorar la convección . Una ventaja de este método es que la PCB multicapa permite el diseño de circuitos complejos, mientras que DBC e IMS son principalmente tecnologías de una sola cara. ^{[ 8 ]}

• Los sustratos flexibles pueden utilizarse en aplicaciones de baja potencia. Al estar fabricados con Kapton como dieléctrico, soportan altas temperaturas y altos voltajes. Su flexibilidad intrínseca los hace resistentes a los daños causados ​​por los ciclos térmicos .
• Los sustratos cerámicos ( tecnología de película gruesa ) también se pueden utilizar en algunas aplicaciones (como la automotriz) donde la confiabilidad es de suma importancia. ^{[ 9 ]} En comparación con las baterías de carbono, la tecnología de película gruesa ofrece un mayor grado de libertad de diseño, pero puede ser menos rentable.
• El rendimiento térmico de los sustratos IMS, DBC y de película gruesa se evalúa en el análisis térmico de módulos de alta potencia de Van Godbold, C., Sankaran, VA y Hudgins, JL, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 12, N° 1, enero de 1997, páginas 3–11, ISSN 0885-8993. (acceso restringido)