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      “三輛馬車”驅動氮化硅基板市場

      發布時間:2020-07-06
       氮化硅陶瓷基板是一個很難搞的材料,想要獲得一塊熱導率及力學性能可以滿足要求的氮化硅基板實在不易。但導熱能力好(Toshiba商業化氮化硅基板熱導率可達85-95W/m?K)、力學性能好,熱膨脹系數與Si,SiC和GaAs等材料匹配良好(3.0X10-6左右)等“好基因”使得氮化硅陶瓷將成為一種極具有吸引力的高強度高導熱電子器件基板材料。具體是什么驅動力讓大家鍥而不舍的想要去攻破如此之難整的它呢?

      第一輛馬車:碳化硅芯片商用

      Si基功率器件已廣泛用于電力電車及動車組,然而業界迫切需要具有更小尺寸、更好的性能和更高效率的功率轉換器。為了滿足這些需求,寬帶隙(WBG)器件,如SiC功率芯片和模塊作為牽引系統被開發研究。測試結果表明,在惡劣的工作條件下,SiC器件比傳統的硅基IGBT模塊具有更好的性能和更高的效率,目前,在地鐵系統中已經開始使用1.7kV混合SiC功率模塊,同時全SiC3.3kV功率模塊也已經成功開發。除了軌道列車,SiC功率芯片在新能源汽車相關領域的應用也是很被看好。

      基于SiC的優點,可以實現更小的尺寸和更輕的牽引系統重量,具有更高的工作頻率,功率密度和更高的效率。特別是在封裝技術中分析了SiC器件的挑戰,封裝材料的熱性能對SiC基模塊的可靠性至關重要使用SiC功率芯片和優化包裝的第一個模塊與傳統模塊相比,可以使損耗降低40%至70%,新的封裝方法及導熱要求限制了傳統制傳統Al2O3和AlN基板的未來作用。


                       氮化硅足夠結實去采用更為簡單的封裝結構

      第二輛馬車:電動汽車的快速發展

      近年來,環境更為友好的電動汽車發展勢頭迅猛,在xEV(混合動力汽車、插電式混合動力汽車和燃料電池電動汽車等電動汽車的總稱)驅動電機控制功率模塊中,絕緣基板不僅需要絕緣導熱能力好,還需要抵抗溫度循環產生的應用。因此需要可靠,抗熱震性能好的陶瓷基板。

      Teslamodel 33的逆變器里有24個SiCMOSFET模塊

      第三輛馬車:其他極端應用條件的需求

      另外一個驅動氮化硅基板發展的一個重要因素是有時候我們不得不需要增加器件惡劣環境下的使用壽命以減少后期的維護從而減低應用成本。以風力渦輪機為例,在所有環境條件下,風力渦輪機的預期使用壽命為15年,期間不會發生故障。為了達到這個目標,風力渦輪機的設計者也在尋求一個更為耐用的基板材料,而眾多測試結果表明,氮化硅基板在使用壽命上實在是真耐打。總的來說,高功率的應用、高導熱的需求、新的封裝方法及更長使用壽命要求是驅動氮化硅市場的主要因素,而氮化硅陶瓷基板具體與其他常見的陶瓷基板的不同之處在哪呢,下文將做簡單整理。

      氮化硅基板的與眾不同之處

      性能指標

      Al2O3(96%)

      AlN

      ZTA(9%)

      Si3N4

      導熱系系數(W/mK)

      24

      180

      28

      90

      彎曲強度(MPa)

      450

      450

      700

      650

      斷裂韌性(MPa/m1/2)

      3.8-4.2

      3-3.4

      4.5-5

      6.5-7

      功率模塊絕緣材料選擇的主要性能是導熱系數,彎曲強度和斷裂韌性。高導熱率是功率模塊快速散熱的關鍵,同時,抗彎強度對于陶瓷基板在封裝流程中的處理和使用非常重要,而斷裂韌性是預測可靠性的關鍵。如上表所示,Al2O3(96%)顯示出低導熱率和低機械值,盡管如此,24W/mK的導熱率還是足以滿足當今許多標準工業應用的需求。AlN的最大優點是盡管具有中等可靠性,卻具有180W/mK的極高導熱率。對更高可靠性的日益增長的需求推動了ZTA(氧化鋯增韌氧化鋁)陶瓷的發展。這些陶瓷表現出明顯更高的彎曲強度和斷裂韌性。但不幸的是,ZTA陶瓷的熱導率與標準Al2O3處于同一范圍,因此在功率密度最高的高功率應用中依然是使用受限。

      而兼具高導熱性和高機械性能的Si3N4其導熱系數可以高質至90W/mK,并且具有比同類陶瓷最高的斷裂韌性。這些特性使人們期望Si3N4作為金屬化襯底表現出的高可靠性。


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