Los módulos IGBT de vehículos de nueva energía (NEV) se enfrentan a alta potencia, vibraciones intensas, amplios cambios de temperatura y entornos hostiles. Los sustratos cerámicos de nitruro de silicio (Si₃N₄) producidos mediante el proceso AMB ofrecen alta conductividad térmica, baja resistencia térmica, gran confiabilidad y excelente adhesión de la capa de cobre. Estas propiedades abordan los obstáculos térmicos y de confiabilidad de los dispositivos de SiC de alta-potencia, lo que convierte al Si₃N₄ en el sustrato preferido para el empaquetamiento de módulos IGBT y SiC. Más allá de la automoción, los sustratos de Si₃N₄ son prometedores en la industria aeroespacial, hornos industriales, sistemas de tracción y electrónica inteligente.
Por qué el nitruro de silicio es excelente para aplicaciones NEV
1. Conductividad térmica suficiente para dispositivos de alta-potencia
----Si₃N₄: 80–120 W/(m·K): satisface completamente las necesidades de refrigeración NEV IGBT
----Al₂O₃: 20–35 W/(m·K) – insuficiente para módulos de alta potencia
----AlN: 150–220 W/(m·K) – excelente conductividad pero frágil y costosa
Para densidades de potencia de NEV, Si₃N₄ ofrece un equilibrio óptimo entre rendimiento térmico y costo.
2. Fuerza y dureza superiores
----Si₃N₄: resistencia a la flexión 700–900 MPa, excelente tenacidad
----Al₂O₃: 300–400 MPa, frágil
----AlN: 250–350 MPa, extremadamente frágil
Los NEV experimentan vibraciones, golpes, aceleraciones rápidas y cambios bruscos de temperatura. Los sustratos de Si₃N₄ resisten el agrietamiento y la delaminación, lo que garantiza la confiabilidad del módulo.
3. La expansión térmica coincide con los chips de silicio
----El coeficiente de expansión térmica del Si₃N₄ se asemeja mucho al del silicio y los chips IGBT. Durante la carga rápida o la conducción a alta velocidad, evita la delaminación de la soldadura o la rotura del cable causada por el ciclo térmico.
4. Resistencia a altas temperaturas, envejecimiento, humedad y corrosión
----Los compartimentos del motor son duros: altas temperaturas, humedad, aceite y vibraciones. La resistencia a la oxidación, la tolerancia al choque térmico y el aislamiento eléctrico del Si₃N₄ extienden la vida útil del sustrato entre 2 y 3 veces más que las alternativas, lo que reduce los riesgos de la garantía.
5. Costo óptimo-Rendimiento para la producción en masa
----El AlN es costoso, el Al₂O₃ tiene un rendimiento inferior; Si₃N₄ ofrece el equilibrio adecuado entre alta potencia, confiabilidad y rentabilidad. Los fabricantes líderes como BYD, CATL, Inovance y StarPower están adoptando cada vez más sustratos de Si₃N₄ a escala.
Conclusión
Los NEV exigen sustratos de alta-potencia, fiables,-resistentes a las vibraciones y con capacidad de carga-rápida-. El nitruro de silicio ofrece alta conductividad térmica, resistencia superior, baja expansión térmica, resistencia al impacto y larga vida útil-resolviendo las limitaciones de Al₂O₃ y AlN, lo que lo convierte en la opción óptima para módulos de potencia automotrices.
Perspectivas de la industria
Los sustratos de Si₃N₄ del proceso AMB- son complejos y costosos, con opciones de soldadura limitadas, lo que hace que la producción sea más desafiante que DBC o DPC. Actualmente, el mercado mundial de AMB Si₃N₄ es pequeño. Sin embargo, a medida que los dispositivos IGBT y SiC tienden hacia una mayor potencia y miniaturización, se espera que la demanda de sustratos de Si₃N₄ crezca significativamente.
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