تعمل تطورات التلبيد ذات المساحة الكبيرة على تحسين أداء وحدة الطاقة
تتيح أشباه موصلات الطاقة ذات الفجوة العريضة (WBG) المعتمدة على كربيد السيليكون (SiC) أو نيتريد الغاليوم (GaN) إمكانية التبديل بشكل أسرع، وتقليل الخسائر، وزيادة كثافة الطاقة في تطبيقات تحويل الطاقة. مع تحسن كفاءة أشباه موصلات الطاقة الجوهرية، يتم التركيز بشكل أكبر على المواد والمكونات المحيطة لتحقيق مكاسب إضافية إضافية في أداء النظام ولضمان إمكانية استخدام قوالب WBG إلى أقصى إمكاناتها. إن نطاق درجة الحرارة المتزايد، على سبيل المثال، وحدات SiC المصنفة إلى 175 درجة مئوية وما فوق، يضع متطلبات إضافية على الأداء الميكانيكي والحراري للمثبتات القالبية والركيزة والمشتتات الحرارية. الطريقة التقليدية مع وحدات الطاقة السيليكونية لربط القالب بالركيزة القابضة، مثل النحاس المرتبط مباشرة (DBC) وDBC باللوحة الأساسية، كانت باستخدام الجنود. في هذه المقالة سوف نسلط الضوء على بعض مزايا تلبيد الفضة كبديل للحام.
اللحيم مقابل اللبيدة
كان اللحام المعتمد على القصدير (Sn) والرصاص (Pb) هو المادة الأكثر شيوعًا التي يتم ربطها بالقالب. يتطلب الامتثال لـ ROHS استبدال Pb بالفضة (Ag) والنحاس (Cu). أثناء اللحام، تذوب جزيئات اللحام، عادة في نطاق 200 درجة مئوية – 250 درجة مئوية، وتبلل السطح المراد ملامسته. تتشكل المراحل المعدنية أثناء مرحلة التبريد عندما تتصلب. التلبيد هو طريقة لإنشاء هياكل من المساحيق تحت نقطة انصهارها. تلبيد الفضة1 تم تقديمه لأول مرة في عام 1990، وتقدم العديد من الشركات الآن حلولاً للتثبيت بالقالب تعتمد على تركيبات مختلفة من جزيئات الفضة. يعتمد التلبيد على الانتشار الذري، وكما هو موضح في الشكل 1 (أ)، يتم استخدام مزيج من الحرارة والضغط خلال فترة زمنية معينة لتعزيز الانتشار في الواجهة. على عكس اللحام، لا يوجد تغيير في الطور.
كما هو مبين في الشكل 1 (ب)، تم تحسين التوصيل الكهربائي والحراري لمعاجين ملبد الفضة بشكل كبير، إلى جانب ثباتها في درجات الحرارة العالية، مقارنة بتركيبات اللحام الشائعة. يمنحها معامل التمدد الحراري المنخفض (CTE) وقوة الشد الجيدة مزايا في اختبارات ركوب الدراجات الحرارية والطاقة.
ويصور الشكل 2 لمحة عامة عن أنواع التلبيد. يعد التلبيد بمساعدة الضغط هو الأكثر شيوعًا لوحدات الطاقة SiC. مع انخفاض حجم جزيئات الملبد من المستوى الصغير إلى مستوى النانو (أي < 1 ميكرومتر)، يمكن أن تنخفض درجة حرارة ووقت التلبيد. يمكن أن يكون الضغط النانوي حوالي 5 إلى 15 ميجا باسكال، ودرجات حرارة من 200 درجة مئوية إلى 300 درجة مئوية، وأوقات من 1 إلى 10 دقائق.
عادةً ما يتم تطبيق معجون اللبيدة عن طريق طباعة الاستنسل مع الوضع الجاف. يعتبر التوزيع جديدًا نسبيًا، كما أن الوضع الرطب يجعل العملية أكثر تزويرًا بشكل غير صحيح. فيلم نقل القالب (DTF) عبارة عن تدفق انتقاء ووضع بعد القالب حيث يتم نقل الفيلم أولاً على قالب منتقى مع خطوة حرارة وضغط أولية ووضع لاحق للقالب + فيلم ملبد على الركيزة مع التطبيق النهائي للحرارة والضغط.
قامت العديد من المجموعات بتحسين دورة درجة الحرارة (TCT) بشكل كبير وعمر دورة الطاقة لعملية إرفاق القالب باستخدام ملبد الفضة فوق اللحام. يظهر مثال على ذلك في الشكل 3. زاد العمر في اختبار ركوب الدراجات في درجة الحرارة النشطة على ركائز DBC بمقدار 17.
تلبيد الفضة بمساحة كبيرة
في مؤتمر PCIM Europe 2023 الأخير، قدم فلوريان سيفرت، مدير المنتج، والدكتورة أولا هوف، رئيس مشروع معاجين الملبد بالضغط، في شركة Heraeus، دراستهم حول استخدام معاجين الملبد الفضي لتطبيقات تلبيد المساحات الكبيرة (LAS)4.
كما هو مبين في الشكل 4، يمكن استخدام التلبيد في مجموعة وحدة الطاقة من أجل:
- يتم إرفاق القالب بالركيزة، مثل DCB/DBC أو نيتريد السيليكون المعدني النشط (AMB). قد تحتوي هذه عادةً على تشطيب من النيكل والذهب (Ni/Au). يعد ترحيل Ag مصدر قلق، خاصة بالنسبة للتلبيد عالي الضغط، ويتطلب تحسينًا دقيقًا لظروف اللصق والتلبيد لتقليل هذه المخاطر.
- يمكن أن يؤدي التلبيد على قمة القالب، على سبيل المثال، إلى تمكين مقاطع النحاس أو الأعمدة المعدنية من استبدال روابط الأسلاك التقليدية. يمكن وضع تشطيب معدني علوي على القالب لتمكين ذلك. يتيح نظام ما بعد الالتقاط والوضع العلوي (DTS) مثل رقائق النحاس إمكانية ربط أسلاك النحاس الثقيلة، مما يحسن الأداء الحراري والموثوقية مقارنة بأسلاك Al التقليدية.
- ربط الركيزة إلى اللوح الأساسي للوحدة. يمثل هذا تحديات جديدة بسبب الحجم المتزايد مقارنة بالقالب العاري، بأحجام يمكن أن تتراوح من 15 × 20 ملم2 إلى> 40 × 40 ملم2. يمكن تصنيف هذا التطبيق على أنه LAS.
تشمل بعض التحديات المحددة التي تواجه نظام LAS ما يلي:
- الحصول على طبقة رقيقة ذات ضغط متساوي: يمكن لأغشية اللبيدة الرقيقة أن تحسن التوصيل الحراري للوحدة بشكل عام. في حين أن التلبيد له مزايا محددة مقارنة باللحام في تمكين سمك طبقة الرابطة الرقيقة (BLT)، فإن هذا السُمك يحتاج إلى الزيادة مع حجم الوحدة، على سبيل المثال، الزيادة من العادي <40-50 ميكرومتر المستخدم في القالب إلى> 100- 150 ميكرون. يمكن أن تجعل اختلافات الارتفاع هذا الأمر أكثر صعوبة نظرًا لأنه قد تكون هناك حاجة إلى ضغوط أعلى مع زيادة المخاطر على السلامة الميكانيكية للمشتت الحراري/القالب.
- يمكن أن يكون لعملية التجفيف نافذة تشغيل أصغر بكثير بسبب القيود التي تفرضها مواد التغليف أو وصلات اللحام داخل مجموعة الركيزة. قد تكون هناك حاجة إلى تحسين درجة الحرارة ومعدلات المنحدر والوقت الإجمالي والجو.
- قد تحتاج كيمياء عجينة الملبد نفسها إلى ضبطها لتعمل بشكل أفضل في ظل قيود نافذة التشغيل الموضحة أعلاه.
- التكلفة: تعد عملية التلبيد بمساعدة الضغط من Ag أكثر تكلفة، كما تتمتع مواد الواجهة الحرارية (TIMs) بمزايا من حيث التكلفة. يمكن أن يوفر مزيج من الملبد وTIM في بعض الأحيان حلاً وسطًا جيدًا بين التكلفة والأداء.
يظهر تدفق LAS من هيرايوس في الشكل 5.
نتائج جامعة الدول العربية
يتجلى التحسين الناجح لتدفق Ag LAS في نتائج اختبارات قوة القص الموضحة في الشكل 6. وقد أدى معجون LAS إلى تحسين قوة القص عبر نطاق الأحجام التي تم اختبارها بنسبة تزيد عن 40% مقارنةً بمعجون الملبد Ag القياسي الذي يعلق بالقالب.
لم يلاحظ أي انفصال في معاجين LAS حتى 1500 دورة على 1000 مم2 ركائز، كما هو مبين في الشكل 7.
نظرة مستقبلية
من المتوقع أن ينمو سوق السيارات الكهربائية بقوة، حيث تلعب وحدات الطاقة المعتمدة على SiC دورًا رئيسيًا في هذا، كما هو الحال في تطبيق عاكس الجر. يوفر تلبيد Ag العديد من المزايا في الأداء والموثوقية مقارنة باللحام. من المتوقع أن يلعب تلبيد النحاس دورًا أكبر في التطبيقات المستقبلية مع تحسينات في المقاومة الحرارية، ومقاومة الهجرة، ومزايا التكلفة المحتملة مقارنة بـ Ag. ومن المتوقع أن يصل السوق المستهدف لـ LAS إلى 17 مليونًا بحلول عام 20304.
مراجع
1 H. Schwarzbauer, R. Kuhnert، “تقنية جديدة لربط المساحة الكبيرة لتحسين أداء أجهزة الطاقة”، معاملات IEEE في تطبيقات الصناعة، 1991.
2 A. ميريك، ب. ديتريش، “الركائز غير العضوية لتطبيقات إلكترونيات الطاقة.”
3 S. Kraft, A. Schletz, M. Mürz، “موثوقية تلبيد الفضة على ركائز DBC وDBA لتطبيقات إلكترونيات الطاقة”، CIPS 2012.
4 F. Seifert وU. Hauf، “المعجون الأمثل للتلبيد بالضغط على مساحة كبيرة باستخدام معجون اللبيدة الفضية،” PCIM 2023.
