Nos modernos sistemas eletrônicos de potência, o módulo IGBT (transistor bipolar de porta isolada) é o componente principal da conversão e controle de energia, e sua estabilidade e confiabilidade a longo prazo são muito importantes. Como componente chave da estrutura do pacote do módulo IGBT, o substrato revestido de cerâmica não apenas carrega os componentes do circuito, mas também carrega a pesada tarefa de condução de calor, o que afeta diretamente a eficiência de dissipação de calor e a vida útil do módulo. Este artigo tem como objetivo explorar a influência de diferentes materiais de substrato cerâmico no desempenho da placa revestida de cobre cerâmico, especialmente do ponto de vista da condutividade térmica e da correspondência do coeficiente de expansão térmica, analisar as vantagens e desvantagens dos materiais de substrato cerâmico de alumina, nitreto de silício e nitreto de alumínio. , a fim de fornecer uma base teórica para a seleção de materiais de embalagem de módulos de alta potência.
Limitações de aplicação de substratos de alumina: Embora os substratos cerâmicos de alumina sejam amplamente utilizados devido à sua relação custo-benefício e processos comprovados, sua condutividade térmica relativamente baixa e incompatibilidade com o coeficiente de expansão térmica dos materiais de silício limitam seu potencial de aplicação em módulos de alta densidade de potência.
Perspectivas e desafios dos substratos de nitreto de silício: As cerâmicas de nitreto de silício são conhecidas por seu excelente desempenho geral, especialmente em ambientes de alta temperatura. No entanto, a condutividade térmica real da cerâmica de nitreto de silício é muito inferior ao valor teórico, e a pesquisa e o desenvolvimento de cerâmicas de nitreto de silício de alta condutividade térmica ainda estão em fase de laboratório, o que se torna um fator chave que restringe sua ampla aplicação.
Vantagens do substrato de nitreto de alumínio: Com excelente condutividade térmica e coeficiente de expansão térmica semelhante aos materiais semicondutores (como Si), a placa revestida de nitreto de alumínio e cobre resolve efetivamente o problema de gerenciamento térmico do módulo IGBT, reduz o estresse interno, melhora significativamente a confiabilidade e a vida útil do módulo, e é considerado o material de substrato ideal para embalagens de dispositivos eletrônicos de potência.
As principais propriedades dos três materiais de substrato cerâmico são comparadas detalhadamente (conforme mostrado na Tabela 1). Embora o substrato de alumina tenha alta popularidade, o problema da condutividade térmica insuficiente e da incompatibilidade do coeficiente de expansão térmica tornou-se cada vez mais proeminente, especialmente em módulos de alta potência, o que pode levar ao aumento do estresse térmico e afetar a estabilidade e a vida útil do módulo. Embora o desempenho geral do substrato de nitreto de silício seja superior, mas limitado pela condutividade térmica real, é difícil atender à demanda por alta condutividade térmica e seu processo de comercialização ainda precisa de tempo. Em contraste, a placa revestida de cobre de nitniteto de alumínio com sua alta condutividade térmica e boa correspondência de coeficiente de expansão térmica, torna-se a chave para resolver o problema de gerenciamento térmico do módulo IGBT, não apenas acelera a condução de calor, mas também reduz o estresse interno causado pela diferença em expansão térmica, melhorando assim a confiabilidade e durabilidade do módulo.
Em resumo, a seleção de materiais de substrato cerâmico é crucial para o desempenho a longo prazo dos módulos IGBT. Entre os três materiais de alumina, nitreto de silício e nitreto de alumínio, as placas revestidas de cobre com nitreto de alumínio apresentam grandes vantagens em pacotes de módulos de alta potência devido às suas excelentes propriedades térmicas e boa combinação com materiais semicondutores. No futuro, com o progresso contínuo da ciência dos materiais e a otimização da tecnologia de preparação, espera-se que os substratos cerâmicos de nitreto de alumínio se tornem os materiais-chave para promover o desenvolvimento de maior densidade de potência e maior confiabilidade na indústria de eletrônica de potência. Portanto, para cenários de aplicação específicos, a seleção razoável de materiais de substrato cerâmico é de grande importância para melhorar o desempenho geral e prolongar a vida útil dos módulos IGBT.
