В современных системах силовой электроники модуль IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) является основным компонентом преобразования и управления энергией, и его долговременная стабильность и надежность очень важны. Являясь ключевым компонентом структуры корпуса модуля IGBT, керамическая подложка не только несет на себе компоненты схемы, но также выполняет тяжелую задачу по теплопроводности, что напрямую влияет на эффективность рассеивания тепла и срок службы модуля. Целью этой статьи является изучение влияния различных керамических материалов подложки на характеристики керамической медной плакированной пластины, особенно с точки зрения соответствия теплопроводности и коэффициента теплового расширения, а также анализ преимуществ и недостатков керамических материалов подложки из оксида алюминия, нитрида кремния и нитрида алюминия. , чтобы обеспечить теоретическую основу для выбора упаковочных материалов для модулей высокой мощности.
Ограничения применения подложек из оксида алюминия: Хотя керамические подложки из оксида алюминия широко используются из-за их экономической эффективности и проверенных процессов, их относительно низкая теплопроводность и несоответствие коэффициенту теплового расширения кремниевых материалов ограничивают потенциал их применения в модулях с высокой плотностью мощности.
Перспективы и проблемы подложек из нитрида кремния: Керамика из нитрида кремния известна своими превосходными общими характеристиками, особенно в условиях высоких температур. Однако реальная теплопроводность керамики из нитрида кремния намного ниже теоретического значения, а исследования и разработки керамики из нитрида кремния с высокой теплопроводностью все еще находятся на лабораторной стадии, что становится ключевым фактором, ограничивающим ее широкое применение.
Преимущества подложки из нитрида алюминия: Обладая превосходной теплопроводностью и коэффициентом теплового расширения, аналогичным полупроводниковым материалам (таким как Si), плакированная медью пластина из нитрида алюминия эффективно решает проблему терморегулирования модуля IGBT, снижает внутреннее напряжение, значительно повышает надежность и срок службы модуля, и считается идеальным материалом для изготовления корпусов силовых электронных устройств.
Подробно сравниваются основные свойства трех керамических материалов подложки (как показано в таблице 1). Хотя подложка из оксида алюминия имеет высокую популярность, проблема недостаточной теплопроводности и несоответствия коэффициента теплового расширения становится все более заметной, особенно в мощных модулях, что может привести к увеличению термической нагрузки и повлиять на стабильность и срок службы модуля. Хотя общие характеристики подложки из нитрида кремния превосходят ее, но они ограничены фактической теплопроводностью, трудно удовлетворить спрос на высокую теплопроводность, и процесс ее коммерциализации все еще требует времени. Напротив, медная плакированная пластина из нинитида алюминия с ее высокой теплопроводностью и хорошим соответствием коэффициента теплового расширения становится ключом к решению проблемы управления температурой модуля IGBT, не только ускоряя теплопроводность, но и уменьшая внутреннее напряжение, вызванное разницей в тепловое расширение, тем самым повышая надежность и долговечность модуля.
Таким образом, выбор керамических материалов подложки имеет решающее значение для долгосрочной работы модулей IGBT. Среди трех материалов: оксида алюминия, нитрида кремния и нитрида алюминия, плакированные медью пластины из нитрида алюминия демонстрируют большие преимущества в корпусах мощных модулей благодаря своим превосходным термическим свойствам и хорошему сочетанию с полупроводниковыми материалами. Ожидается, что в будущем, благодаря постоянному прогрессу материаловедения и оптимизации технологии подготовки, керамические подложки из нитрида алюминия станут ключевыми материалами, способствующими развитию более высокой плотности мощности и более высокой надежности в промышленности силовой электроники. Поэтому для конкретных сценариев применения разумный выбор материалов керамической подложки имеет большое значение для улучшения общих характеристик и продления срока службы модулей IGBT.
