Nei moderni sistemi elettronici di potenza, il modulo IGBT (transistor bipolare a gate isolato) è il componente principale della conversione e del controllo dell'energia e la sua stabilità e affidabilità a lungo termine sono molto importanti. Essendo il componente chiave della struttura del pacchetto del modulo IGBT, il substrato rivestito in ceramica non solo trasporta i componenti del circuito, ma sopporta anche il pesante compito di conduzione del calore, che influisce direttamente sull'efficienza di dissipazione del calore e sulla durata del modulo. Questo articolo mira a esplorare l'influenza dei diversi materiali del substrato ceramico sulle prestazioni della piastra rivestita in rame ceramico, in particolare dal punto di vista della conduttività termica e della corrispondenza del coefficiente di dilatazione termica, analizzare i vantaggi e gli svantaggi dei materiali del substrato ceramico di allumina, nitruro di silicio e nitruro di alluminio , al fine di fornire una base teorica per la selezione dei materiali di imballaggio dei moduli ad alta potenza.
Limiti applicativi di substrati di allumina: Sebbene i substrati ceramici di allumina siano ampiamente utilizzati grazie al loro rapporto costo-efficacia e ai processi comprovati, la loro conduttività termica relativamente bassa e la mancata corrispondenza con il coefficiente di dilatazione termica dei materiali in silicio limitano il loro potenziale di applicazione nei moduli ad alta densità di potenza.
Prospettive e sfide dei substrati in nitruro di silicio: le ceramiche in nitruro di silicio sono note per le loro eccellenti prestazioni complessive, soprattutto in ambienti ad alta temperatura. Tuttavia, l'effettiva conduttività termica delle ceramiche al nitruro di silicio è molto inferiore al valore teorico e la ricerca e lo sviluppo di ceramiche al nitruro di silicio ad alta conduttività termica sono ancora in fase di laboratorio, il che diventa un fattore chiave che ne limita l'ampia applicazione.
Vantaggi del substrato di nitruro di alluminio: Con un'eccellente conduttività termica e un coefficiente di dilatazione termica simili ai materiali semiconduttori (come il Si), la piastra rivestita in rame e nitruro di alluminio risolve efficacemente il problema della gestione termica del modulo IGBT, riduce lo stress interno, migliora significativamente l'affidabilità e la durata del modulo e è considerato il materiale di substrato ideale per l'imballaggio di dispositivi elettronici di potenza.
Le proprietà principali dei tre materiali del substrato ceramico vengono confrontate in dettaglio (come mostrato nella Tabella 1). Sebbene il substrato di allumina abbia una grande popolarità, il problema dell’insufficiente conduttività termica e della mancata corrispondenza del coefficiente di dilatazione termica è diventato sempre più evidente, soprattutto nei moduli ad alta potenza, il che può portare ad un aumento dello stress termico e influenzare la stabilità e la durata del modulo. Sebbene le prestazioni complessive del substrato in nitruro di silicio siano superiori, ma limitate dall'effettiva conduttività termica, è difficile soddisfare la domanda di elevata conduttività termica e il suo processo di commercializzazione richiede ancora tempo. Al contrario, la piastra rivestita in rame e nitniruro di alluminio con la sua elevata conduttività termica e il buon adattamento del coefficiente di dilatazione termica, diventa la chiave per risolvere il problema della gestione termica del modulo IGBT, non solo accelera la conduzione del calore, ma riduce anche lo stress interno causato dalla differenza di espansione termica, migliorando così l'affidabilità e la durata del modulo.
In sintesi, la selezione dei materiali del substrato ceramico è fondamentale per le prestazioni a lungo termine dei moduli IGBT. Tra i tre materiali di allumina, nitruro di silicio e nitruro di alluminio, le piastre rivestite in rame di nitruro di alluminio mostrano grandi vantaggi nei pacchetti di moduli ad alta potenza grazie alle loro eccellenti proprietà termiche e al buon adattamento con i materiali semiconduttori. In futuro, con il continuo progresso della scienza dei materiali e l'ottimizzazione della tecnologia di preparazione, si prevede che i substrati ceramici in nitruro di alluminio diventeranno i materiali chiave per promuovere lo sviluppo di una maggiore densità di potenza e una maggiore affidabilità nel settore dell'elettronica di potenza. Pertanto, per scenari applicativi specifici, una selezione ragionevole dei materiali del substrato ceramico è di grande importanza per migliorare le prestazioni complessive e prolungare la durata dei moduli IGBT.
