A peça que falha primeiro num módulo de potência não é a mais vistosa; é a camada cerâmica inferior. Se está a adquirir substratos cerâmicos DBC para módulos de potência, os defeitos ocultos podem provocar falhas em campo com custos significativos. Explicamos a seguir o que deve confirmar primeiro.
Os defeitos que realmente causam falhas
A maioria dos problemas nos substratos DBC resume-se a um pequeno grupo de fatores reincidentes. Apresentamos o aspeto de cada um e a razão pela qual ocorre:
Vazios (Voids) na camada de ligação
Os vazios (voids) são finas bolhas presas entre o cobre e a cerâmica durante a ligação. São comuns em fornecedores de menor qualidade e, após apenas alguns ciclos térmicos, tornam-se frequentemente a origem de fissuras. Peça ao seu fornecedor a taxa de vazios medida; não assuma que é zero.
Delaminação
A delaminação é um fenómeno no qual a camada de cobre começa a separar-se da cerâmica. Uma vez que o cobre e a cerâmica têm diferentes taxas de expansão durante o aquecimento, é exercida tensão na junção cada vez que o ciclo térmico se repete. Uma das principais causas de falha dos substratos DBC em campo é a delaminação, particularmente com a repetição ciclo térmico entre -55 °C e +150 °C. Consulte o seu fornecedor sobre o número de ciclos térmicos que o seu projeto suportou nos testes.
Fissuração da cerâmica
As fissuras tendem a ocorrer a partir das extremidades e cantos das pastilhas de cobre (copper pads), onde a tensão é mais concentrada, alastrando-se depois para o corpo cerâmico. Esta é uma das razões pelas quais o design das margens e o layout do cobre são tão importantes quanto a seleção do material. Questione sobre este aspeto antes de fazer o seu pedido.
Ligação Interfacial Fraca
A camada de reação que combina o cobre e a cerâmica pode não se formar adequadamente. Quando isto acontece, a força de acoplamento diminui desde o início, mesmo antes de as peças receberem tensão térmica real. Não conseguirá detetar isto através de um certificado.
Como pode, então, evitar estes defeitos? Faça as perguntas certas sobre a autoinspeção do seu fornecedor.
Como os fornecedores de confiança detetam os defeitos antes do envio
Não pode presenciar pessoalmente o processo de ligação de um fornecedor, mas pode solicitar provas de que este inspeciona os defeitos antes do envio.
X-Ray Inspeção
A inspeção por raios X é um método padrão para detetar vazios em camadas de ligação que são invisíveis a partir do exterior. Embora seja um método rápido e bem estabelecido, existe uma limitação que deve ser conhecida. Isto significa que os defeitos de adesão puros sem lacunas reais não são necessariamente detetados pela inspeção por raios X.
Microscopia Acústica de Varredura (SAM)
A SAM utiliza ultrassons para observar o interior do substrato e deteta fissuras, vazios e delaminação que os raios X frequentemente não detetam. É amplamente utilizada em substratos DBC e AMB no campo da eletrónica de potência, caracterizando-se pela sua capacidade de medir o grau de deterioração da área de ligação.
Inspeção Visual e de Microsecção (Corte Transversal)
Na observação de cortes transversais com microscópio, a interface de junção pode ser verificada diretamente. Se for visível uma lacuna escura ou uma camada de óxido irregular, o processo de ligação está defeituoso. Ajustar a temperatura de montagem não resolverá o problema.
Agora que sabe o que procurar, eis exatamente o que deve perguntar antes de fazer um pedido.
Lista de controlo de compras para a aquisição de substratos cerâmicos DBC
Se está a tentar aprovar um fornecedor de um novo substrato cerâmico DBC, ou se está a revalidar um fornecedor que já utilizou, vale a pena fazer as seguintes perguntas com antecedência:
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Pode apresentar um registo de inspeção por raios X ou SAM do lote real, em vez de apenas um certificado geral de competência?
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Qual é a taxa de vazios (void rate) na interface cobre-cerâmica? Além disso, se o limite for ultrapassado, o lote é rejeitado como produto defeituoso?
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Quantos ciclos térmicos suportou este design de placa durante os seus testes?
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Realizam análise microscópica de corte transversal (microsecção)? É possível ver a secção transversal da amostra?
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Que tipo de certificação possui atualmente a sua instalação?
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Qual é a diferença no prazo de entrega (lead time) entre um lote de amostra e um lote de produção em massa?
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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?
Limites de aceitação que deve conhecer
Eis algumas coisas que deve saber antes de aprovar um lote.
Não existe um padrão único na indústria para os limites de área de vazios (void area) na ligação DBC. Cada fornecedor estabelece os seus próprios critérios de aceitação. Consulte diretamente o seu fornecedor sobre qual é a sua taxa de vazios e obtenha essa informação por escrito.
Não rejeite um lote inteiro devido a apenas uma amostra defeituosa. Se uma amostra aleatória falhar, volte a testá-la ou solicite uma inspeção a 100%.
Obtenha os acordos por escrito, e não através de promessas verbais. Confirme o prazo de entrega, os limites de defeitos e as condições de substituição antes de fazer a encomenda.
Perguntas frequentes
Quanto tempo deve demorar um fornecedor a disponibilizar os resultados da inspeção?
A maioria dos bons fornecedores será capaz de lhe fornecer um relatório de raios-X ou SAM num prazo de um par de dias úteis. Se um fornecedor demorar semanas ou recusar responder, este é um sinal de alarme.
Como saber se as alegações de inspeção de um fornecedor são verdadeiras ou falsas?
Solicite os registos de inspeção originais de raios-X ou SAM, e não apenas um resumo de "aprovação/rejeição" (pass/fail).
Quanto tempo deve ser o prazo de entrega (lead time) de um fornecedor de substratos cerâmicos DBC?
Para lotes padrão, a maioria dos fornecedores de substratos cerâmicos para DBC orçamentam um prazo de entrega de 2 a 6 semanas. Faça a encomenda apenas depois de receber um compromisso por escrito com uma data definitiva.
É possível obter uma amostra antes de fazer uma encomenda de um lote completo?
Sim. Um bom fabricante de substratos cerâmicos DBC fornecerá uma pequena amostra para testes antes de uma produção completa.
O que acontece se um lote falhar a inspeção após a entrega?
Um fornecedor confiável substituirá o lote ou concederá um crédito. Obtenha isso por escrito antes de fazer a encomenda, e não após o surgimento de um problema.
Que registos devo manter para todos os lotes que recebo?
Para lotes padrão, a maioria dos fornecedores de substratos cerâmicos para DBC orçamentam um prazo de entrega de 2 a 6 semanas. Faça a encomenda apenas depois de receber um compromisso por escrito com uma data definitiva.
Existe um limite inferior de taxa de vazios (void rate) para aplicações críticas que possa ser negociado?
Sim. Se estiver a utilizar o seu módulo de potência em aplicações para veículos elétricos (EV), médicas ou aeroespaciais, solicite um limite mais rigoroso do que o padrão do seu fornecedor. Critérios de aceitação mais estritos resultarão num custo mais elevado.
Considerações finais
Embora os substratos cerâmicos DBC pareçam simples na ficha técnica, muitos dos defeitos ocorrem silenciosamente durante o processo de ligação e só são descobertos quando falham no terreno. Antes de fazer a sua próxima encomenda, solicite não apenas um certificado, mas também dados reais de inspeção. Precisa de ajuda para selecionar fornecedores? GGS Ceramic’s a equipa de engenharia pode analisar detalhadamente as suas especificações e requisitos de inspeção.