En los sistemas electrónicos de potencia modernos, el módulo IGBT (transistor bipolar de puerta aislada) es el componente central de la conversión y el control de energía, y su estabilidad y confiabilidad a largo plazo son muy importantes. Como componente clave de la estructura del paquete del módulo IGBT, el sustrato revestido de cerámica no solo soporta los componentes del circuito, sino que también soporta la pesada tarea de la conducción de calor, lo que afecta directamente la eficiencia de disipación de calor y la vida útil del módulo. Este artículo tiene como objetivo explorar la influencia de diferentes materiales de sustrato cerámico en el rendimiento de la placa cerámica revestida de cobre, especialmente desde la perspectiva de la coincidencia de la conductividad térmica y el coeficiente de expansión térmica, analizar las ventajas y desventajas de los materiales de sustrato cerámico de alúmina, nitruro de silicio y nitruro de aluminio. , con el fin de proporcionar una base teórica para la selección de materiales de embalaje de módulos de alta potencia.
Limitaciones de aplicación de sustratos de alúmina: Aunque los sustratos cerámicos de alúmina se utilizan ampliamente debido a su rentabilidad y procesos probados, su conductividad térmica relativamente baja y su falta de coincidencia con el coeficiente de expansión térmica de los materiales de silicio limitan su potencial de aplicación en módulos de alta densidad de potencia.
Perspectivas y desafíos de sustratos de nitruro de silicio: las cerámicas de nitruro de silicio son conocidas por su excelente rendimiento general, especialmente en entornos de alta temperatura. Sin embargo, la conductividad térmica real de las cerámicas de nitruro de silicio es mucho menor que el valor teórico, y la investigación y el desarrollo de cerámicas de nitruro de silicio de alta conductividad térmica aún se encuentran en la etapa de laboratorio, lo que se convierte en un factor clave que restringe su amplia aplicación.
Ventajas del sustrato de nitruro de aluminio: Con una excelente conductividad térmica y un coeficiente de expansión térmica similar a los materiales semiconductores (como el Si), la placa revestida de cobre y nitruro de aluminio resuelve eficazmente el problema de gestión térmica del módulo IGBT, reduce la tensión interna, mejora significativamente la confiabilidad y la vida útil del módulo y se considera el material de sustrato ideal para el embalaje de dispositivos electrónicos de potencia.
Las principales propiedades de los tres materiales de sustrato cerámico se comparan en detalle (como se muestra en la Tabla 1). Aunque el sustrato de alúmina tiene una gran popularidad, el problema de la conductividad térmica insuficiente y la falta de coincidencia del coeficiente de expansión térmica se ha vuelto cada vez más prominente, especialmente en módulos de alta potencia, lo que puede conducir a un aumento del estrés térmico y afectar la estabilidad y vida útil del módulo. Aunque el rendimiento general del sustrato de nitruro de silicio es superior, pero está limitado por la conductividad térmica real, es difícil satisfacer la demanda de alta conductividad térmica y su proceso de comercialización aún necesita tiempo. Por el contrario, la placa revestida de cobre y nitnitida de aluminio, con su alta conductividad térmica y su buen coeficiente de expansión térmica, se convierte en la clave para resolver el problema de gestión térmica del módulo IGBT, no solo acelera la conducción de calor, sino que también reduce la tensión interna causada por la diferencia en expansión térmica, mejorando así la confiabilidad y durabilidad del módulo.
En resumen, la selección de materiales de sustrato cerámico es crucial para el rendimiento a largo plazo de los módulos IGBT. Entre los tres materiales de alúmina, nitruro de silicio y nitruro de aluminio, las placas revestidas de cobre con nitruro de aluminio muestran grandes ventajas en paquetes de módulos de alta potencia debido a sus excelentes propiedades térmicas y su buena combinación con materiales semiconductores. En el futuro, con el progreso continuo de la ciencia de los materiales y la optimización de la tecnología de preparación, se espera que los sustratos cerámicos de nitruro de aluminio se conviertan en materiales clave para promover el desarrollo de una mayor densidad de potencia y una mayor confiabilidad en la industria de la electrónica de potencia. Por lo tanto, para escenarios de aplicación específicos, la selección razonable de materiales de sustrato cerámico es de gran importancia para mejorar el rendimiento general y extender la vida útil de los módulos IGBT.
