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Seleção de substratos cerâmicos para conversores OBC e DC-DC: quando o AlN é a escolha certa
Introdução
Os OBCs e os conversores CC-CC para veículos processam uma potência elétrica considerável, mas os requisitos relativos ao substrato cerâmico devem estar vinculados ao perfil térmico real e ao projeto do pacote. Essas aplicações costumam ser avaliadas de maneira diferente dos inversores de tração, pois o desafio de projeto é, na maioria das vezes, a remoção sustentada de calor, e não choques térmicos severos e repetidos.
É aí que o nitreto de alumínio (AlN) se torna uma opção atraente. Sua alta condutividade térmica pode reduzir a queda de temperatura através da camada cerâmica isolante. No entanto, o AlN não é automaticamente a resposta certa para todos os conversores. Se a cerâmica não for o principal gargalo térmico, ou se a densidade de potência for moderada, a alumina já pode atender aos requisitos a um custo menor.
Resposta rápida: para projetos de OBC de alta densidade de potência, comece avaliando o AlN. Para conversores CC-CC de potência moderada com forte pressão de custo, a alumina pode ser suficiente. Antes de atualizar a cerâmica, confirme qual a parcela da resistência térmica total que realmente provém do substrato.
A seleção de OBC e DC-DC começa com o perfil térmico
Um inversor de tração pode sofrer oscilações rápidas e repetidas de temperatura relacionadas à aceleração e à regeneração do veículo. Um OBC ou conversor CC-CC pode passar períodos mais longos sob carga relativamente estável. A condutividade térmica, portanto, tem maior peso nessas aplicações de aquecimento sustentado.
Essa distinção é útil porque evita um erro comum de seleção: escolher a cerâmica mais resistente para todas as aplicações automotivas ou a cerâmica de maior condutividade para todas as aplicações que geram calor. O modo de falha deve orientar a decisão. Se o aumento de temperatura sob carga constante for a preocupação, reduza a resistência térmica. Se a fadiga sob grandes oscilações de temperatura for a preocupação, a tenacidade e o CTE tornam-se mais importantes.
Por que o AlN é atraente em OBCs de alta densidade de potência
Valores representativos situam o AlN em torno de 170–250 W/m·K, em comparação com aproximadamente 24–28 W/m·K para os tipos comuns de alumina. Essa diferença é substancial quando o calor precisa atravessar a cerâmica continuamente. O AlN também oferece isolamento elétrico e um CTE em torno de 4,5 ppm/°C, relativamente próximo ao do SiC.
A vantagem é mais significativa quando o corpo cerâmico representa uma parte significativa do caminho térmico entre a junção e o refrigerante. Uma camada mais fina de AlN pode reduzir ainda mais a resistência térmica da cerâmica, desde que os requisitos elétricos e mecânicos continuem sendo atendidos. É por isso que o material e a espessura devem ser otimizados em conjunto, em vez de serem escolhidos independentemente.
Não confunda W/m·K com o desempenho total de resfriamento
A condutividade térmica não é o mesmo que o desempenho total de resfriamento. O calor ainda precisa atravessar a solda ou a fixação sinterizada, o cobre, uma placa de base ou resfriador direto, o TIM e o trocador de calor final. A resistência de contato pode ser comparável à resistência do corpo cerâmico. Se o TIM ou o resfriador for o principal gargalo, a mudança da alumina para o AlN pode não reduzir a temperatura do dispositivo tanto quanto o esperado.
Quando a alumina é suficiente para um conversor CC-CC
A alumina continua sendo a cerâmica de referência, pois é uma tecnologia madura, amplamente processada, eletricamente isolante e econômica. Valores representativos são de cerca de 24 W/m·K para alumina a 96% e cerca de 28 W/m·K para alumina a 99,6%. Esses valores são muito inferiores aos do AlN, mas um conversor com densidade de potência moderada, grande área de dissipação de calor ou uma estrutura de resfriamento eficiente ainda pode ter margem térmica suficiente.
A questão correta não é se o AlN é tecnicamente melhor na condução de calor. É se a redução de temperatura justifica o custo do material e do processamento no projeto real. Um simples cálculo de resistência térmica ou uma simulação podem responder a isso de forma mais confiável do que a escolha com base na reputação do material.
| Condição | Direção do AlN | Direção do Al₂O₃ |
|---|---|---|
| Alto fluxo de calor contínuo | Ajuste firme | Pode se tornar o gargalo |
| Densidade de potência moderada | Pode ser desnecessário | Frequentemente suficiente |
| Forte pressão de custos | Custo mais alto | Grande vantagem |
| É necessário um DBC convencional maduro | Disponível | Muito maduro |
| Requisitos rigorosos de ciclo térmico | Verifique cuidadosamente a resistência e a confiabilidade | Pode ser necessária uma atualização para um sistema mais resistente |
Espessura, tensão e metalização devem ser resolvidas em conjunto
A espessura do substrato cria um compromisso inevitável. A cerâmica mais fina reduz a resistência de condução, mas a espessura também contribui para o caminho de isolamento elétrico e para a margem de manuseio mecânico. Um projeto prático deve equilibrar a resistência térmica, a tensão suportável e a resistência mecânica, em vez de otimizar a espessura em apenas uma direção.
A metalização é uma escolha à parte. O DBC é a opção convencional para circuitos de potência com cobre espesso e alta corrente. O AMB é selecionado quando a confiabilidade da interface é mais exigente. O DPC é utilizado quando são necessárias linhas finas e alta precisão superficial. Para um OBC convencional, o DBC pode ser o ponto de partida prático; o DPC se enquadra em um problema diferente de densidade de circuito e não deve ser escolhido simplesmente porque parece mais avançado.
Para o AlN, a exposição à umidade é outra condição de projeto. As superfícies metalizadas ficam cobertas, mas bordas cortadas ou características abertas podem permanecer expostas. Se o conversor precisar passar por uma qualificação para alta umidade, essas superfícies expostas devem ser revisadas antes que o projeto seja finalizado.
O que enviar a um fornecedor para obter uma recomendação útil sobre OBC/DC-DC
- Carga térmica constante e de pico, além da temperatura máxima permitida do dispositivo ou do substrato.
- Tensão operacional e transitória, além de qualquer teste de tensão de resistência exigido.
- Dimensões alvo da cerâmica e faixa de espessura.
- Espessura do cobre, distância mínima entre linhas e espaços, acabamento da superfície e preferência de metalização, se já definidas.
- Arquitetura de resfriamento: placa de base, resfriamento direto, placa fria, TIM e premissas de pressão de contato.
- Requisitos ambientais e de confiabilidade, incluindo ciclos térmicos e umidade.
Na Stanford Advanced Materials (SAM), essas informações são mais úteis do que uma solicitação pela “cerâmica de maior condutividade”. Elas permitem decidir se o AlN resolve um gargalo térmico real ou se a alumina já oferece desempenho suficiente.
Converse com a SAM sobre seus requisitos de substrato
Informe a potência do conversor, a carga térmica, a tensão, o tamanho/espessura do substrato alvo, a necessidade de cobre e o método de resfriamento. A SAM pode ajudar a definir a direção da cerâmica e da metalização antes da cotação.
Acesse o Formulário de Consulta →
Referências
1. J. Schulz-Harder, “Vantagens e novos desenvolvimentos de substratos de cobre com ligação direta”, Microelectronics Reliability, 43(3), 359–365, 2003. DOI: 10.1016/S0026-2714(02)00343-8. Fonte
2. A. Ben Kabaar et al., “Caracterização de materiais e suas interfaces em um substrato de cobre com ligação direta para aplicações em eletrônica de potência”, Microelectronics Reliability, 79, 288–296, 2017. DOI: 10.1016/j.microrel.2017.06.001. Fonte
3. “Tecnologia DBC para a fabricação de substratos de eletrônica de potência de baixo custo”, *Procedia Engineering*, 69, 1180–1183, 2014. DOI: 10.1016/j.proeng.2014.03.107. Fonte
4. S. Kremp e O. Schilling, “Robustez à umidade para módulos de potência de alta tensão: mecanismos limitantes e aumento da vida útil”, Microelectronics Reliability, 88–90, 2018. DOI: 10.1016/j.microrel.2018.06.043. Fonte
Conversores e calculadoras