Numerical approach to cold gas spray on ceramic substrates for power electronics packaging

Abstract

Power electronics packaging plays a key role in the translation from robust mechanical systems, to more efficient electronic systems. One of the current power modules chal- lenges is the direct bond copper process used to fabricate ceramic substrates. These substrates suffer high residual stresses from the high temperatures needed to bond met- als to ceramics, which in combination with dissimilar coefficients of thermal expansion, lowers the reliability of electronics when thermally cycled. Substrate thickness is limited by the thermal excursion during the process, thus inhibiting high voltage (above 20 kV) operation due to low breakdown voltages. Cold spray has the potential to reduce stresses due to its low-temperature process nature. A thick, controllable coating of conducting metal can be obtained owing that bonding depends mostly on mechanical interlocking, eliminating the need to melt the materials. Cold spray on ceramics has not been widely studied and is an open research area due to the complexity of bonding soft metals to hard ceramics, known to be brittle with no plasticity at low temperatures. This work provides a parameter selection map resulting from parametric modeling of the process. Experiments were run to validate the numerical model on different substrate surfaces, deposition angles, standoff distances, and nozzle geometry.

El embalaje de la electrónica de potencia juega un papel clave en la traducción de sis- temas mecánicos robustos a sistemas electrónicos más eficientes. Uno de los desafíos actuales de los módulos de potencia es el proceso de cobre de enlace directo utilizado para fabricar sustratos cerámicos. Estos sustratos sufren altas tensiones residuales debido a las altas temperaturas necesarias para unir metales a cerámicas, lo que, en combinación con coeficientes de expansión térmica diferentes, disminuye la fiabilidad de los compo- nentes electrónicos cuando se ciclan térmicamente. El espesor del sustrato está limitado por la excursión térmica durante el proceso, lo que inhibe el funcionamiento de alta ten- sión (arriba de 20 kV) debido a los bajos voltajes de ruptura. La pulverización en frío tiene el potencial de reducir las tensiones debido a su naturaleza de proceso a baja tem- peratura. Se puede obtener un recubrimiento grueso y controlable de metal conductor debido a que la unión depende principalmente del enclavamiento mecánico, eliminando la necesidad de fundir los materiales. La pulverización en frío de cerámicas no se ha estudiado ampliamente y es un área de investigación abierta debido a la complejidad de unir metales blandos a cerámicas duras, conocidas por ser frágiles y sin plasticidad a bajas temperaturas. Este trabajo proporciona un mapa de selección de parámetros resul- tante del modelado paramétrico del proceso. Se realizaron experimentos para validar el modelo numérico en diferentes superficies de sustrato, ángulos de deposición, distancias de separación y geometría de boquilla.