ความหนาของซับสเตรตเป็นหนึ่งในการตัดสินใจที่เงียบที่สุดในการบรรจุอิเล็กทรอนิกส์และเป็นหนึ่งในสิ่งที่สำคัญที่สุด หากบางเกินไป เซรามิก Al2O3 จะแตกหักระหว่างการจัดการหรือล้มเหลวในการทดสอบแรงดันไฟฟ้า หากหนาเกินไป เส้นทางการนำความร้อนจะยาวขึ้น โมดูลจะหนักขึ้นและต้นทุนจะสูงขึ้น การกำหนดความหนาที่ถูกต้องหมายถึงการสร้างสมดุลระหว่างแรงดันไฟฟ้า ความร้อน และการรองรับทางกล คู่มือนี้แสดงวิธีการเลือกสำหรับงานอิเล็กทรอนิกส์กำลังจริง
ผู้ซื้อ มักจะรับช่วงความหนาจากดีไซน์เดิมและไม่เคยกลับมาพิจารณาอีก จากนั้นโมดูลแรงดันไฟฟ้าสูงใหม่จะถูกนำมาใช้ในโครงร่างเดียวกัน และทันใดนั้น ซับสเตรตเซรามิกอลูมินา ก็จะเกิดการอาร์คหรือแตก ความหนาไม่ใช่คุณสมบัติคงที่ของวัสดุ — เป็นตัวแปรการออกแบบที่ต้องคำนวณใหม่ทุกครั้งที่แรงดันไฟฟ้า กำลัง หรือขนาดแพ็คเกจเปลี่ยนแปลง
ข้อกำหนดสามประการดึงไปในทิศทางที่แตกต่างกัน การพังทลายของฉนวนต้องการเซรามิกเพียงพอที่จะทนต่อแรงดันไฟฟ้าขณะทำงานพร้อมส่วนเผื่อ — ด้วยความแข็งแรงของฉนวนประมาณ 15–16 kV/mm แม้แต่ 0.6 มม. ก็ให้ค่าทนทานทางทฤษฎีประมาณ 9 kV เส้นทางการนำความร้อนชอบซับสเตรตที่บางเพื่อให้ความร้อนไปถึงแผ่นฐานได้อย่างรวดเร็ว อลูมินาให้ค่าการนำความร้อน 24–25 W/m·K ดังนั้นทุกๆ มิลลิเมตรที่เพิ่มขึ้นจะเพิ่มความต้านทาน การรองรับทางกลชอบความหนาเพื่อความแข็งแรงและเพื่อทนต่อการประกอบและการหมุนเวียนของอุณหภูมิ ตัวเลขสุดท้ายคือส่วนที่บางที่สุดที่ยังคงตรงตามความต้องการด้านแรงดันไฟฟ้าและทางกล
ซับสเตรตเหล่านี้ใช้สำหรับโมดูล IGBT, ฐานตัวต้านทานกำลัง, แผ่นทำความร้อน และฉนวนรีเลย์โซลิดสเตต ชิ้นส่วนที่เป็นตัวแทน ได้แก่ แผ่นซับสเตรตความแข็งแรงของฉนวน 96%, ซับสเตรต Al2O3 96% สำหรับองค์ประกอบความร้อน, และ เซรามิกอลูมิเนียมออกไซด์ฉนวน ช่วง
| พารามิเตอร์ | ค่า | พื้นฐาน |
|---|---|---|
| ปริมาณอลูมินา | 96% Al2O3 | (P) |
| ความแข็งแรงของฉนวน | 15–16 kV/mm | (P) |
| การนำความร้อน | 24 W/m·K | (P) |
| ช่วงความหนา | 0.25–10 มม. | (P) |
| ความคลาดเคลื่อนความหนา | ±0.02 มม. | (P) |
| ความโค้ง | สูงสุด 0.1% | (P) |
| ขนาดสูงสุด | 200 × 200 มม. | (P) |
| แรงดันไฟฟ้าที่ทนได้ของชิ้นส่วนสุดท้าย | ยืนยันโดยการทดสอบ hipot | (C) |
กุญแจพื้นฐาน: (P) ข้อมูลจำเพาะหน้าผลิตภัณฑ์; (T) ค่าทั่วไป; (C) ต้องยืนยันโดยการทดสอบฉนวนบนซับสเตรตที่เสร็จสมบูรณ์
เฉพาะภายในขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าและการจัดการเท่านั้น ต่ำกว่าความหนาที่แน่นอน ซับสเตรตจะล้มเหลวในการทดสอบ hipot หรือแตกหักในการประกอบ ดังนั้นกำไรด้านความร้อนจะสูญเสียไปกับของเสีย
ความโค้งที่มากเกินไปจะป้องกันไม่ให้ซับสเตรตวางราบกับแผ่นฐาน ซึ่งจะทำให้เกิดช่องว่าง จุดร้อน และรอยต่อบัดกรีที่ไม่สม่ำเสมอ รักษาความโค้งไว้ที่ 0.1% หรือน้อยกว่า
ความบริสุทธิ์เปลี่ยนค่าคงที่ของฉนวนและการนำความร้อนเล็กน้อย แต่ความหนายังคงกำหนดโดยแรงดันไฟฟ้าและการรองรับทางกล เกรดจะถูกเลือกเพื่อความสะอาดและความเสถียรมากกว่าความหนา
นอกจากนี้ยังมีข้อควรพิจารณาด้านบรรจุภัณฑ์ที่ผู้ซื้อค้นพบช้าเกินไป ซับสเตรต เซรามิก Al2O3 ที่บางมากจะเปราะบางในการขนส่งและการประกอบอัตโนมัติ ดังนั้นความหนาขั้นต่ำที่ใช้งานได้จริงจึงมักถูกกำหนดโดยผลผลิตการจัดการ ไม่ใช่โดยทฤษฎีฉนวน การรันชุดทดลองผ่านกระบวนการ pick-and-place และการบัดกรีจริงจะเผยให้เห็นขีดจำกัดการแตกหักได้เร็วกว่าการคำนวณใดๆ และอาจทำให้ซับสเตรตหนาขึ้นเล็กน้อยซึ่งจะคุ้มค่าในตัวเองด้วยการลดของเสีย ในท้ายที่สุด ความหนาคือค่าที่น้อยที่สุดที่ตรงตามข้อกำหนดด้านแรงดันไฟฟ้า ความร้อน และการจัดการร่วมกัน
สำหรับการเปรียบเทียบวัสดุที่กว้างขึ้นเบื้องหลังการเลือกซับสเตรต โปรดดู เหตุใด Al2O3 จึงยังคงเป็นผู้นำในตลาดซับสเตรตเซรามิก และ เซรามิกสนับสนุนการบรรจุ IGBT ในยานยนต์ได้อย่างไร.
