El componente que falla primero en un módulo de potencia no es el más llamativo; es la capa cerámica situada debajo. Si está adquiriendo sustratos cerámicos DBC para módulos de potencia, los defectos ocultos pueden provocar fallos en el lugar de instalación que conlleven costes considerables. A continuación, explicaré qué aspectos debe verificar en primer lugar.
Los defectos que realmente causan fallos
La mayoría de los problemas con los sustratos DBC se reducen a unos pocos fallos recurrentes. Aquí se describe en qué consisten y por qué se producen.
Porosidades (Voids) en la capa de unión
Las porosidades (voids) son finas burbujas que quedan atrapadas entre el cobre y la cerámica durante la unión. Son habituales en proveedores de menor calidad y, tras unos pocos ciclos térmicos, suelen convertirse en el origen de grietas. Solicite a su proveedor su tasa medida de porosidad; no asuma que es cero.
Delaminación
La delaminación es un fenómeno en el que la capa de cobre comienza a separarse de la cerámica. Como el cobre y la cerámica tienen diferentes coeficientes de dilatación durante el calentamiento, se genera tensión en la unión cada vez que se repite el ciclo térmico. Una de las principales causas de fallo de los sustratos DBC en campo es la delaminación, particularmente con la repetición ciclo térmico entre -55 °C y +150 °C. Consulte con su proveedor cuántos ciclos térmicos ha soportado su diseño en las pruebas.
Agrietamiento de la cerámica
Las grietas tienden a producirse desde los extremos y esquinas de las pastillas de cobre (copper pads), donde el estrés se concentra más, y luego se extienden al cuerpo de la cerámica. Esta es una de las razones por las que el diseño de los bordes y la disposición del cobre son tan importantes como la selección del material. Pregunte sobre esto antes de realizar su pedido.
Unión Interfacial Débil
Es posible que la capa de reacción que une el cobre y la cerámica no se forme correctamente. Cuando esto sucede, la fuerza de acoplamiento disminuye desde el principio, incluso antes de que las piezas reciban estrés térmico real. Esto no se puede detectar a través de un certificado.
¿Cómo puede entonces evitar estos defectos? Haga las preguntas adecuadas sobre la autoinspección de su proveedor.
Cómo capturan los proveedores fiables los defectos antes del envío
No puede presenciar el proceso de unión de un proveedor en persona, pero sí puede solicitar pruebas de que realizan inspecciones de defectos antes del envío.
X-Ray Inspección
La inspección por rayos X es un método estándar para detectar porosidades en las capas de unión que son invisibles desde el exterior. Aunque es un método rápido y bien consolidado, existe una limitación que debe conocerse. Esto significa que los defectos de adhesión puros sin huecos reales no se detectan necesariamente mediante la inspección por rayos X.
Microscopía Acústica de Barrido (SAM)
La SAM utiliza ultrasonidos para observar el interior del sustrato y detecta grietas, porosidades y delaminación que los rayos X suelen pasar por alto. Es ampliamente utilizada en sustratos DBC y AMB dentro del campo de la electrónica de potencia, y se caracteriza por su capacidad para medir el grado de deterioro en la zona de unión.
Inspección Visual y de Microsección (Corte Transversal)
En la observación de cortes transversales con microscopio, la interfaz de la unión se puede comprobar directamente. Si se observa una grieta oscura o una capa de óxido descompensada, el proceso de unión es defectuoso. Ajustar la temperatura de ensamblaje no lo solucionará.
Ahora que sabe qué buscar, esto es exactamente lo que debe preguntar antes de realizar un pedido.
Lista de control de compras para la adquisición de sustratos cerámicos DBC
Si está intentando aprobar a un proveedor para un nuevo sustrato cerámico DBC, o si está recertificando a un proveedor que ya ha utilizado, vale la pena plantear las siguientes preguntas con antelación:
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¿Puede presentar un registro de inspección por rayos X o SAM del lote real, en lugar de un certificado de competencia general?
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¿Cuál es la tasa de porosidad (void rate) en la interfaz cobre-cerámica? Asimismo, si se supera el umbral, ¿se descarta el lote como producto defectuoso?
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¿Cuántos ciclos térmicos soportó este diseño de placa durante sus pruebas?
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¿Realizan análisis de corte transversal microscópico (microsección)? ¿Es posible ver la sección transversal de la muestra?
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¿Qué tipo de certificación tiene actualmente su instalación?
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¿Cuál es la diferencia en el plazo de entrega (lead time) entre un lote de muestra y un lote de producción en masa?
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Can you supply custom thickness, copper layer options or minimum order quantity (MOQ) that fits perfectly with my design rather than the standard size?
Umbrales de aceptación que debe conocer
Aquí hay algunas cosas que debe saber antes de dar el visto bueno a un lote.
No existe un único estándar de la industria para los umbrales de área de porosidad (void area) en el proceso de unión DBC. Cada proveedor establece sus propios criterios de aceptación. Consulte directamente a su proveedor cuál es su tasa de porosidad y obténgalo por escrito.
No rechace un lote entero por una sola muestra defectuosa. Si una muestra aleatoria falla, vuelva a probarla o solicite una inspección al 100%.
Consiga los acuerdos por escrito, no mediante promesas verbales. Confirme el plazo de entrega, los límites de defectos y las condiciones de sustitución antes de realizar el pedido.
Preguntas frecuentes
¿Cuánto tiempo debería tardar un proveedor en proporcionar los resultados de la inspección?
La mayoría de los buenos proveedores podrán proporcionarle un informe de rayos X o SAM en un par de días hábiles. Si un proveedor tarda semanas o se niega a responder, esta es una señal de alerta.
¿Cómo saber si las afirmaciones de inspección de un proveedor son verdaderas o falsas?
Solicite los registros de inspección originales de rayos X o SAM, no solo un resumen de "aprobado/reprobado" (pass/fail).
¿Cuánto tiempo debería ser el plazo de entrega (lead time) de un proveedor de sustratos cerámicos DBC?
Para lotes estándar, la mayoría de los proveedores de sustratos cerámicos para DBC cotizan un tiempo de entrega de 2 a 6 semanas. Realice el pedido solo después de recibir un compromiso por escrito con una fecha definitiva.
¿Es posible obtener una muestra antes de realizar un pedido de un lote completo?
Sí. Un buen fabricante de sustratos cerámicos DBC proporcionará una pequeña muestra para realizar pruebas antes de una producción completa.
¿Qué sucede si un lote no pasa la inspección después de la entrega?
Un proveedor confiable reemplazará el lote o emitirá un crédito. Obtenga esto por escrito antes de realizar el pedido, no después de que surja un problema.
¿Qué registros debo mantener para todos los lotes que recibo?
Para lotes estándar, la mayoría de los proveedores de sustratos cerámicos para DBC cotizan un tiempo de entrega de 2 a 6 semanas. Realice el pedido solo después de recibir un compromiso por escrito con una fecha definitiva.
¿Existe un umbral más bajo de tasa de porosidad (void rate) para aplicaciones críticas que se pueda negociar?
Así es. Si utiliza su módulo de potencia en aplicaciones automotrices (EV), médicas o aeroespaciales, solicite un umbral más estricto que el estándar de su proveedor. Criterios de aceptación más rigurosos conllevarán un mayor coste.
Reflexiones finales
Aunque los sustratos cerámicos DBC parecen sencillos en la ficha técnica, muchos de los defectos se producen silenciosamente durante el proceso de unión y no se descubren hasta que fallan en el campo. Antes de realizar su próximo pedido, solicite no solo un certificado, sino también datos de inspección reales. ¿Necesita ayuda para evaluar a sus proveedores? GGS Ceramic’s el equipo de ingeniería puede revisar detalladamente sus especificaciones y requisitos de inspección.