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氮化硅陶瓷基板应用领域你知道哪些?

氮化硅陶瓷基板

                    氮化硅陶瓷基板的应用领域你知道哪些?

氮化硅陶瓷具有硬度大、强度高、热膨胀系数小、高温蠕动小、抗氧化性能好、热腐蚀性能好、摩擦系数小、与用油润滑的金属表面相似等诸多优异性能,是综合性最好的结构陶瓷材料。今天小编要分享是氮化硅陶瓷基板的核心应用领域。

氮化硅陶瓷基板材料的特性

氮化硅陶瓷基板是一个很难搞的材料,想要获得一块热导率及力学性能可以满足要求的氮化硅基板实在不易。但导热能力好(Toshiba商业化氮化硅基板热导率可达85-95W/m?K)、力学性能好,热膨胀系数与Si,SiC和GaAs等材料匹配良好(3.0X10-6左右)等“好基因”使得氮化硅陶瓷将成为一种极具有吸引力的高强度高导热电子器件基板材料。具体是什么驱动力让大家锲而不舍的想要去攻破如此之难整的它呢?

一,碳化硅陶瓷基板的商用价值--电力电车及动车组

Si基功率器件已广泛用于电力电车及动车组,然而业界迫切需要具有更小尺寸、更好的性能和更高效率的功率转换器。为了满足这些需求,宽带隙(WBG)器件,如SiC功率芯片和模块作为牵引系统被开发研究。测试结果表明,在恶劣的工作条件下,SiC器件比传统的硅基IGBT模块具有更好的性能和更高的效率,目前,在地铁系统中已经开始使用1.7kV混合SiC功率模块,同时全SiC3.3kV功率模块也已经成功开发。除了轨道列车,SiC功率芯片在新能源汽车相关领域的应用也是很被看好。

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基于SiC的优点,可以实现更小的尺寸和更轻的牵引系统重量,具有更高的工作频率,功率密度和更高的效率。特别是在封装技术中分析了SiC器件的挑战,封装材料的热性能对SiC基模块的可靠性至关重要使用SiC功率芯片和优化包装的第一个模块与传统模块相比,可以使损耗降低40%至70%,新的封装方法及导热要求限制了传统制传统Al2O3和AlN基板的未来作用。

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                                               氮化硅足够结实去采用更为简单的封装结构

二,电动汽车的快速发展推动氮化硅陶瓷基板的应用

近年来,环境更为友好的电动汽车发展势头迅猛,在xEV(混合动力汽车、插电式混合动力汽车和燃料电池电动汽车等电动汽车的总称)驱动电机控制功率模块中,绝缘基板不仅需要绝缘导热能力好,还需要抵抗温度循环产生的应用。因此需要可靠,抗热震性能好的陶瓷基板。

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                                            Teslamodel 33的逆变器里有24个SiCMOSFET模块

三,风力涡轮机等其他极端应用对氮化硅陶瓷基板的需求

另外一个驱动氮化硅基板发展的一个重要因素是有时候我们不得不需要增加器件恶劣环境下的使用寿命以减少后期的维护从而减低应用成本。以风力涡轮机为例,在所有环境条件下,风力涡轮机的预期使用寿命为15年,期间不会发生故障。为了达到这个目标,风力涡轮机的设计者也在寻求一个更为耐用的基板材料,而众多测试结果表明,氮化硅基板在使用寿命上实在是真耐打。

总的来说,高功率的应用、高导热的需求、新的封装方法及更长使用寿命要求是驱动氮化硅市场的主要因素,而氮化硅陶瓷基板具体与其他常见的陶瓷基板的不同之处在哪呢?

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                                                              氮化硅基板的与众不同之处

功率模块绝缘材料选择的主要性能是导热系数,弯曲强度和断裂韧性。高导热率是功率模块快速散热的关键,同时,抗弯强度对于陶瓷基板在封装流程中的处理和使用非常重要,而断裂韧性是预测可靠性的关键。

如上表所示,Al2O3(96%)显示出低导热率和低机械值,尽管如此,24W/mK的导热率还是足以满足当今许多标准工业应用的需求。AlN的最大优点是尽管具有中等可靠性,却具有180W/mK的极高导热率。

对更高可靠性的日益增长的需求推动了ZTA(氧化锆增韧氧化铝)陶瓷的发展。这些陶瓷表现出明显更高的弯曲强度和断裂韧性。但不幸的是,ZTA陶瓷的热导率与标准Al2O3处于同一范围,因此在功率密度最高的高功率应用中依然是使用受限。而兼具高导热性和高机械性能的Si3N4其导热系数可以高质至90W/mK,并且具有比同类陶瓷最高的断裂韧性。这些特性使人们期望Si3N4作为金属化衬底表现出的高可靠性。

更多氮化陶瓷基板的应用和问题可以咨询金瑞欣特种电路,金瑞欣专业陶瓷基板生产厂家,行业覆盖汽车电子、电力交通轨道、航天航空、大功率模组等领域都有很多合作的客户,和北大大学、清华大学、浙江大学等高级院校以及研究院都有合作,欢迎咨询。

参考资料:

1\SiliconNitrideSubstratesforPowerElectronics,ManfredGoetz,RogersGermanyGmbH.

2\DevelopmentofhighpowerSiCdevicesforrailtractionpowersystems,GuoyouLiu,Etc.

 

 

 

 

 


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