Dans les systèmes électroniques de puissance modernes, le module IGBT (transistor bipolaire à grille isolée) est le composant central de la conversion et du contrôle de l'énergie, et sa stabilité et sa fiabilité à long terme sont très importantes. En tant que composant clé de la structure du boîtier du module IGBT, le substrat recouvert de céramique supporte non seulement les composants du circuit, mais supporte également la lourde tâche de conduction thermique, ce qui affecte directement l'efficacité de la dissipation thermique et la durée de vie du module. Cet article vise à explorer l'influence de différents matériaux de substrat en céramique sur les performances des plaques plaquées de cuivre en céramique, en particulier du point de vue de la conductivité thermique et de l'adaptation du coefficient de dilatation thermique, à analyser les avantages et les inconvénients des matériaux de substrat en céramique d'alumine, de nitrure de silicium et de nitrure d'aluminium. , afin de fournir une base théorique pour la sélection des matériaux d'emballage des modules haute puissance.
Limitations d'application des substrats en alumine: Bien que les substrats en céramique d'alumine soient largement utilisés en raison de leur rentabilité et de leurs processus éprouvés, leur conductivité thermique relativement faible et leur inadéquation avec le coefficient de dilatation thermique des matériaux en silicium limitent leur potentiel d'application dans les modules à haute densité de puissance.
Perspectives et défis des substrats en nitrure de silicium : Les céramiques en nitrure de silicium sont connues pour leurs excellentes performances globales, en particulier dans les environnements à haute température. Cependant, la conductivité thermique réelle des céramiques de nitrure de silicium est bien inférieure à la valeur théorique, et la recherche et le développement de céramiques de nitrure de silicium à haute conductivité thermique en sont encore au stade de laboratoire, ce qui devient un facteur clé limitant sa large application.
Avantages du substrat en nitrure d'aluminium: Avec une excellente conductivité thermique et un coefficient de dilatation thermique similaires à ceux des matériaux semi-conducteurs (tels que Si), la plaque plaquée cuivre en nitrure d'aluminium résout efficacement le problème de gestion thermique du module IGBT, réduit les contraintes internes, améliore considérablement la fiabilité et la durée de vie du module, et est considéré comme le matériau de substrat idéal pour l'emballage des appareils électroniques de puissance.
Les principales propriétés des trois matériaux de substrat céramique sont comparées en détail (comme le montre le tableau 1). Bien que le substrat en alumine soit très populaire, le problème de la conductivité thermique insuffisante et de l'inadéquation du coefficient de dilatation thermique est devenu de plus en plus important, en particulier dans les modules de haute puissance, ce qui peut entraîner une augmentation des contraintes thermiques et affecter la stabilité et la durée de vie du module. Bien que les performances globales du substrat en nitrure de silicium soient supérieures, mais limitées par la conductivité thermique réelle, il est difficile de répondre à la demande de conductivité thermique élevée et son processus de commercialisation prend encore du temps. En revanche, la plaque plaquée cuivre-nitniture d'aluminium, avec sa conductivité thermique élevée et sa bonne adaptation du coefficient de dilatation thermique, devient la clé pour résoudre le problème de gestion thermique du module IGBT, non seulement accélère la conduction thermique, mais réduit également la contrainte interne causée par la différence de dilatation thermique, améliorant ainsi la fiabilité et la durabilité du module.
En résumé, la sélection des matériaux de substrat céramique est cruciale pour les performances à long terme des modules IGBT. Parmi les trois matériaux que sont l'alumine, le nitrure de silicium et le nitrure d'aluminium, les plaques plaquées de cuivre en nitrure d'aluminium présentent de grands avantages dans les boîtiers de modules haute puissance en raison de leurs excellentes propriétés thermiques et de leur bonne adéquation avec les matériaux semi-conducteurs. À l'avenir, avec les progrès continus de la science des matériaux et l'optimisation de la technologie de préparation, les substrats céramiques de nitrure d'aluminium devraient devenir les matériaux clés pour promouvoir le développement d'une densité de puissance plus élevée et d'une plus grande fiabilité dans l'industrie de l'électronique de puissance. Par conséquent, pour des scénarios d'application spécifiques, une sélection raisonnable de matériaux de substrat en céramique est d'une grande importance pour améliorer les performances globales et prolonger la durée de vie des modules IGBT.
