I moduli IGBT per veicoli a nuova energia (NEV) sono soggetti a potenza elevata, vibrazioni intense, ampi sbalzi di temperatura e ambienti difficili. I substrati ceramici in nitruro di silicio (Si₃N₄) prodotti tramite il processo AMB offrono elevata conduttività termica, bassa resistenza termica, forte affidabilità ed eccellente adesione dello strato di rame. Queste proprietà risolvono i colli di bottiglia termici e di affidabilità dei dispositivi SiC ad alta-potenza, rendendo Si₃N₄ il substrato preferito per il packaging dei moduli IGBT e SiC. Oltre al settore automobilistico, i substrati Si₃N₄ sono promettenti nel settore aerospaziale, nelle fornaci industriali, nei sistemi di trazione e nell'elettronica intelligente.
Perché il nitruro di silicio è eccellente per le applicazioni NEV
1. Conduttività termica sufficiente per dispositivi ad alta-potenza
----Si₃N₄: 80–120 W/(m·K) – soddisfa pienamente le esigenze di raffreddamento NEV IGBT
----Al₂O₃: 20–35 W/(m·K) – insufficiente per moduli ad alta potenza
----AlN: 150–220 W/(m·K) – eccellente conduttività ma fragile e costosa
Per le densità di potenza NEV, Si₃N₄ offre un equilibrio ottimale tra prestazioni termiche e costi.
2. Forza e tenacità superiori
----Si₃N₄: resistenza alla flessione 700–900 MPa, eccellente tenacità
----Al₂O₃: 300–400 MPa, fragile
----AlN: 250–350 MPa, estremamente fragile
I NEV sono soggetti a vibrazioni, sobbalzi, accelerazioni rapide e shock termici. I substrati Si₃N₄ resistono alla fessurazione e alla delaminazione, garantendo l'affidabilità del modulo.
3. L'espansione termica corrisponde ai chip di silicio
----Il coefficiente di espansione termica del Si₃N₄ corrisponde molto a quello dei chip in silicio e IGBT. Durante la ricarica rapida o la guida ad alta velocità, previene la delaminazione della saldatura o la rottura del filo causata dal ciclo termico.
4. Resistenza alle alte temperature, all'invecchiamento, all'umidità e alla corrosione
----I vani motore sono gravosi: temperature elevate, umidità, olio e vibrazioni. La resistenza all'ossidazione, la tolleranza agli shock termici e l'isolamento elettrico del Si₃N₄ prolungano la durata del substrato di 2-3 volte rispetto alle alternative, riducendo i rischi di garanzia.
5. Costi-prestazioni ottimali per la produzione di massa
----AlN è costoso, Al₂O₃ ha prestazioni inferiori; Si₃N₄ offre il giusto equilibrio tra elevata potenza, affidabilità ed efficienza dei costi. Produttori leader come BYD, CATL, Inovance e StarPower stanno adottando sempre più substrati Si₃N₄ su larga scala.
Conclusione
I NEV richiedono substrati ad alta-potenza, affidabili,-resistenti alle vibrazioni e capaci di-ricarica-veloce. Il nitruro di silicio offre elevata conduttività termica, robustezza superiore, bassa espansione termica, resistenza agli urti e lunga durata-risolvendo i limiti di Al₂O₃ e AlN, rendendolo la scelta ottimale per i moduli di potenza automobilistici.
Prospettive del settore
I substrati Si₃N₄ del processo AMB- sono complessi e costosi, con opzioni di saldatura limitate, il che rende la produzione più impegnativa rispetto a DBC o DPC. Attualmente, il mercato globale dell’AMB Si₃N₄ è piccolo. Tuttavia, poiché i dispositivi IGBT e SiC tendono verso una maggiore potenza e miniaturizzazione, si prevede che la domanda di substrati Si₃N₄ crescerà in modo significativo.
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