In modernen Leistungselektroniksystemen ist das IGBT-Modul (Insulated Gate Bipolar Transistor) die Kernkomponente der Energieumwandlung und -steuerung, und seine Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit sind sehr wichtig. Als Schlüsselkomponente der IGBT-Modulpaketstruktur trägt das mit Keramik beschichtete Substrat nicht nur die Schaltungskomponenten, sondern übernimmt auch die schwere Aufgabe der Wärmeleitung, die sich direkt auf die Wärmeableitungseffizienz und die Lebensdauer des Moduls auswirkt. Ziel dieses Artikels ist es, den Einfluss verschiedener keramischer Substratmaterialien auf die Leistung von keramischen kupferkaschierten Platten zu untersuchen, insbesondere aus der Perspektive der Wärmeleitfähigkeit und der Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten, und die Vor- und Nachteile von keramischen Substratmaterialien aus Aluminiumoxid, Siliziumnitrid und Aluminiumnitrid zu analysieren , um eine theoretische Grundlage für die Auswahl von Verpackungsmaterialien für Hochleistungsmodule bereitzustellen.
Anwendungsbeschränkungen von Aluminiumoxidsubstraten: Obwohl Aluminiumoxid-Keramiksubstrate aufgrund ihrer Kosteneffizienz und bewährten Prozesse weit verbreitet sind, schränken ihre relativ geringe Wärmeleitfähigkeit und die Nichtübereinstimmung mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von Siliziummaterialien ihr Anwendungspotenzial in Modulen mit hoher Leistungsdichte ein.
Aussichten und Herausforderungen von Siliziumnitrid-Substraten: Siliziumnitrid-Keramik ist für ihre hervorragende Gesamtleistung bekannt, insbesondere in Umgebungen mit hohen Temperaturen. Allerdings ist die tatsächliche Wärmeleitfähigkeit von Siliziumnitridkeramiken viel niedriger als der theoretische Wert, und die Forschung und Entwicklung von Siliziumnitridkeramiken mit hoher Wärmeleitfähigkeit befindet sich noch im Laborstadium, was zu einem Schlüsselfaktor wird, der ihre breite Anwendung einschränkt.
Vorteile des Aluminiumnitrid-Substrats: Mit einer hervorragenden Wärmeleitfähigkeit und einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, die Halbleitermaterialien (wie Si) ähneln, löst die mit Aluminiumnitrid-Kupfer plattierte Platte effektiv das Wärmemanagementproblem von IGBT-Modulen, reduziert interne Spannungen, verbessert die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Moduls erheblich gilt als ideales Substratmaterial für die Verpackung leistungselektronischer Geräte.
Die Haupteigenschaften der drei Keramiksubstratmaterialien werden im Detail verglichen (siehe Tabelle 1). Obwohl sich das Aluminiumoxidsubstrat großer Beliebtheit erfreut, ist das Problem einer unzureichenden Wärmeleitfähigkeit und einer Nichtübereinstimmung des Wärmeausdehnungskoeffizienten immer deutlicher geworden, insbesondere bei Hochleistungsmodulen, was zu einer erhöhten thermischen Belastung führen und die Stabilität und Lebensdauer des Moduls beeinträchtigen kann. Obwohl die Gesamtleistung des Siliziumnitrid-Substrats überlegen ist, ist es jedoch durch die tatsächliche Wärmeleitfähigkeit begrenzt, die Nachfrage nach einer hohen Wärmeleitfähigkeit zu erfüllen, und der Kommerzialisierungsprozess benötigt noch Zeit. Im Gegensatz dazu wird eine mit Aluminiumnitnitid-Kupfer plattierte Platte mit ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit und guten Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten zum Schlüssel zur Lösung des Wärmemanagementproblems des IGBT-Moduls, da sie nicht nur die Wärmeleitung beschleunigt, sondern auch die durch den Unterschied verursachte innere Spannung verringert Wärmeausdehnung, wodurch die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit des Moduls verbessert wird.
Zusammenfassend ist die Auswahl keramischer Substratmaterialien entscheidend für die langfristige Leistung von IGBT-Modulen. Unter den drei Materialien Aluminiumoxid, Siliziumnitrid und Aluminiumnitrid weisen kupferkaschierte Aluminiumnitridplatten aufgrund ihrer hervorragenden thermischen Eigenschaften und ihrer guten Abstimmung mit Halbleitermaterialien große Vorteile in Hochleistungsmodulpaketen auf. Mit dem kontinuierlichen Fortschritt der Materialwissenschaft und der Optimierung der Herstellungstechnologie wird erwartet, dass Aluminiumnitrid-Keramiksubstrate in Zukunft zu den Schlüsselmaterialien werden, um die Entwicklung einer höheren Leistungsdichte und einer höheren Zuverlässigkeit in der Leistungselektronikindustrie voranzutreiben. Daher ist für bestimmte Anwendungsszenarien eine sinnvolle Auswahl keramischer Substratmaterialien von großer Bedeutung für die Verbesserung der Gesamtleistung und die Verlängerung der Lebensdauer von IGBT-Modulen.
