Il componente che si guasta per primo in un modulo di potenza non è quello più visibile: è lo strato ceramico sottostante. Se state acquistando substrati ceramici DBC per moduli di potenza, i difetti nascosti possono causare guasti in campo con costi notevoli. Di seguito viene spiegato cosa verificare per primo.
I difetti che causano effettivamente i guasti
La maggior parte dei problemi nei substrati DBC si riduce a una manciata di difetti ricorrenti. Ecco come si presentano e perché si verificano:
Vuoti (Voids) nello strato di giunzione
I vuoti (voids) sono microscopiche bolle d'aria intrappolate tra rame e ceramica durante il bonding. Sono comuni presso i fornitori di qualità inferiore e, dopo solo pochi cicli termici, diventano frequentemente l'origine di cricche. Richiedete al vostro fornitore il tasso di vuoti misurato: non date per scontato che sia pari a zero.
Delaminazione
La delaminazione è un fenomeno in cui lo strato di rame inizia a separarsi dalla ceramica. Poiché il rame e la ceramica hanno diversi tassi di dilatazione durante il riscaldamento, a ogni ripetizione del ciclo termico viene applicata una sollecitazione sulla giunzione. Una delle principali cause di guasto dei substrati DBC in campo è la delaminazione, in particolare con il ripetersi Ciclo termico tra -55 °C e +150 °C. Chiedete al vostro fornitore il numero di cicli termici che il loro design ha sopportato durante i test.
Inclinazione/Criccatura della ceramica
Le cricche tendono a verificarsi a partire dalle estremità e dagli angoli delle piazzole di rame (copper pads), dove lo sforzo è maggiormente concentrato, per poi propagarsi al corpo ceramico. Questo è uno dei motivi per cui il design dei bordi e la configurazione del rame sono importanti tanto quanto la selezione dei materiali. Chiedete informazioni al riguardo prima di ordinare.
Adesione Interfacciale Debole
La strato di reazione che unisce rame e ceramica potrebbe non formarsi correttamente. Quando ciò accade, la forza di adesione diminuisce fin dall'inizio, ancora prima che i componenti vengano sottoposti a un effettivo stress termico. Questo è un aspetto che non si evince da un certificato.
Come potete quindi evitare questi difetti? Ponete le domande giuste sull'ispezione interna del vostro fornitore.
Come i fornitori affidabili individuano i difetti prima della spedizione
Non potete monitorare di persona il processo di bonding di un fornitore, ma potete richiedere la prova che vengano verificati eventuali difetti prima della spedizione.
X-Ray Ispezione
L'ispezione a raggi X è un metodo standard per individuare i vuoti negli strati di giunzione non visibili dall'esterno. Sebbene si tratti di un metodo rapido e consolidato, vi è un limite da conoscere. Ciò significa che i difetti di pura adesione privi di effettivi spazi vuoti non vengono necessariamente rilevati dall'ispezione a raggi X.
Microscopia Acustica a Scansione (SAM)
La SAM utilizza gli ultrasuoni per osservare l'interno del substrato e individua cricche, vuoti e delaminazioni che i raggi X spesso non rilevano. È ampiamente utilizzata nei substrati DBC e AMB nel campo dell'elettronica di potenza e si caratterizza per la capacità di misurare il grado di deterioramento dell'area di giunzione.
Ispezione Visiva e per Microsezione (Sezione Trasversale)
Nell'osservazione della sezione trasversale al microscopio, l'interfaccia di giunzione può essere verificata direttamente. Se si nota un'intercapedine scura o uno strato di ossido non uniforme, il processo di bonding è difettoso. Regolare la temperatura di assemblaggio non risolverà il problema.
Ora che sapete cosa cercare, ecco esattamente cosa chiedere prima di effettuare un ordine.
Checklist di approvvigionamento per l'acquisto di substrati in ceramica DBC
Che stiate valutando un nuovo fornitore per un substrato in ceramica DBC o stiate ricertificando un fornitore già consolidato, vale la pena porre preventivamente le seguenti domande:
-
Può fornire un report di ispezione a raggi X o SAM del lotto effettivo, anziché un semplice certificato generale di conformità?
-
Qual è la percentuale di vuoti (void rate) all'interfaccia rame-ceramica? Inoltre, se la soglia viene superata, il lotto viene scartato come prodotto difettoso?
-
A quanti cicli termici ha resistito questo design di scheda durante i vostri test?
-
Eseguite analisi microscopiche su microsezione (sezione trasversale)? È possibile visionare la sezione trasversale del campione?
-
Di quale tipo di certificazione dispone attualmente il vostro stabilimento?
-
Qual è la differenza nei tempi di consegna (lead time) tra un lotto di campionatura e un lotto di produzione in serie?
-
Can you supply custom thickness, copper layer options or minimum order quantity (MOQ) that fits perfectly with my design rather than the standard size?
Soglie di accettazione da conoscere
Ecco alcune cose da sapere prima di approvare un lotto.
Non esiste un unico standard di settore per le soglie dell'area dei vuoti (void area) nel bonding DBC. Ogni fornitore stabilisce i propri criteri di accettazione. Chiedete direttamente al vostro fornitore qual è la sua percentuale di vuoti e richiedetela per iscritto.
Non scartate un intero lotto per un solo campione difettoso. Se un campione casuale fallisce, ripetete il test o richiedete un'ispezione al 100%.
Ottenete gli accordi per iscritto, non basatevi su promesse verbali. Confermate i tempi di consegna, i limiti di difettosità e le condizioni di sostituzione prima di effettuare l'ordine.
Domande frequenti
Quanto tempo dovrebbe impiegare un fornitore per fornire i risultati dell'ispezione?
La maggior parte dei buoni fornitori sarà in grado di fornirvi un report a raggi X o SAM entro un paio di giorni lavorativi. Se un fornitore impiega settimane o rifiuta di rispondere, questo è un campanello d'allarme.
Come sapere se le dichiarazioni di ispezione di un fornitore sono vere o false?
Richiedete i dati di ispezione grezzi a raggi X o SAM, non solo un riepilogo "superato/non superato" (pass/fail).
Quanto dovrebbe durare il tempo di consegna (lead time) di un fornitore di substrati in ceramica DBC?
Per i lotti standard, la maggior parte dei fornitori di substrati in ceramica per DBC preventivano un tempo di consegna dalle 2 alle 6 settimane. Effettuate l'ordine solo dopo aver ricevuto un impegno scritto per una data certa.
È possibile ottenere un campione prima di effettuare un ordine per un intero lotto?
Sì. Un buon produttore di substrati in ceramica DBC fornirà un piccolo campione da testare prima di una produzione completa.
Cosa succede se un lotto non supera l'ispezione dopo la consegna?
Un fornitore affidabile sostituirà il lotto o concederà una nota di credito. Ottenete questo impegno per iscritto prima di ordinare, non dopo che si è verificato un problema.
Quali registri devo conservare per tutti i lotti che ricevo?
Per i lotti standard, la maggior parte dei fornitori di substrati in ceramica per DBC preventivano un tempo di consegna dalle 2 alle 6 settimane. Effettuate l'ordine solo dopo aver ricevuto un impegno scritto per una data certa.
Esiste una soglia più bassa per la percentuale di vuoti (void rate) nelle applicazioni critiche che possa essere negoziata?
Proprio così. Se utilizzate il vostro modulo di potenza in applicazioni per veicoli elettrici (EV), medicali o aerospaziali, richiedete una soglia più restrittiva rispetto allo standard del fornitore. Criteri di accettazione più severi comporteranno un costo superiore.
Considerazioni finali
Sebbene i substrati in ceramica DBC sembrino semplici sulla scheda tecnica, molti difetti si verificano silenziosamente durante il processo di bonding e vengono scoperti solo quando si guastano sul campo. Prima di effettuare il prossimo ordine, richiedete non solo un certificato, ma anche i dati di ispezione effettivi. Avete bisogno di aiuto per valutare i fornitori? GGS Ceramic’s il team di ingegneria può esaminare nel dettaglio le vostre specifiche e i requisiti di ispezione.