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“三辆马车”驱动氮化硅基板市场
2020年06月01日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:348
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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?

第一辆马车:碳化硅芯片商用

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SiC3.3kV功率模块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。

SiC功率芯片在轨道列车领域的应用 

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Al2O3AlN基板的未来作用。

氮化硅足够结实去采用更为简单的封装结构 

氮化硅足够结实去采用更为简单的封装结构

第二辆马车:电动汽车的快速发展

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。

SiC MOSFET模块 

Tesla model 3的逆变器里有24个SiC MOSFET模块

第三辆马车:其他极端应用条件的需求

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,下文将做简单整理。

氮化硅基板的与众不同之处

性能指标

Al2O3(96%)

AlN

ZTA(9%)

Si3N4

导热系系数(W/mK)

24

180

28

90

弯曲强度(MPa)

450

450

700

650

断裂韧性(MPa/m1/2)

3.8-4.2

3-3.4

4.5-5

6.5-7

 

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。

上表所示Al2O396%)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。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。

兼具高导热性和高机械性能Si3N4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可靠性。

参考资料:

1\SiliconNitrideSubstratesforPowerElectronicsManfredGoetz,RogersGermanyGmbH.

2\DevelopmentofhighpowerSiCdevicesforrailtractionpowersystems,GuoyouLiuEtc.

粉体圈 编辑:Focus

 

 

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