مدونة

في أنظمة إلكترونيات الطاقة الحديثة، تعد وحدة IGBT (الترانزستور ثنائي القطب ذو البوابة المعزولة) المكون الأساسي لتحويل الطاقة والتحكم فيها، كما أن استقرارها وموثوقيتها على المدى الطويل مهمان للغاية. باعتبارها المكون الرئيسي لهيكل حزمة وحدة IGBT، فإن الركيزة المكسوة بالسيراميك لا تحمل مكونات الدائرة فحسب، بل تتحمل أيضًا المهمة الثقيلة المتمثلة في توصيل الحرارة، مما يؤثر بشكل مباشر على كفاءة تبديد الحرارة وعمر الخدمة للوحدة. يهدف هذا البحث إلى استكشاف تأثير مواد الركيزة الخزفية المختلفة على أداء الصفائح الخزفية المكسوة بالنحاس، خاصة من منظور التوصيل الحراري ومطابقة معامل التمدد الحراري، وتحليل مزايا وعيوب المواد الأساسية الخزفية من الألومينا ونيتريد السيليكون ونيتريد الألومنيوم. ، من أجل توفير أساس نظري لاختيار مواد التعبئة والتغليف لوحدة الطاقة العالية.

قيود تطبيق ركائز الألومينا : على الرغم من استخدام ركائز سيراميك الألومينا على نطاق واسع نظرًا لفعاليتها من حيث التكلفة والعمليات المثبتة، إلا أن موصليتها الحرارية المنخفضة نسبيًا وعدم تطابقها مع معامل التمدد الحراري لمواد السيليكون تحد من إمكانية تطبيقها في الوحدات ذات كثافة الطاقة العالية.

آفاق وتحديات ركائز نيتريد السيليكون: تشتهر سيراميك نيتريد السيليكون بأدائها العام الممتاز، خاصة في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة. ومع ذلك، فإن التوصيل الحراري الفعلي لسيراميك نيتريد السيليكون أقل بكثير من القيمة النظرية، ولا يزال البحث والتطوير لسيراميك نيتريد السيليكون عالي التوصيل الحراري في مرحلة المختبر، مما يصبح عاملاً رئيسياً يقيد تطبيقه على نطاق واسع.

مزايا ركيزة نيتريد الألومنيوم: مع التوصيل الحراري الممتاز ومعامل التمدد الحراري المشابه لمواد أشباه الموصلات (مثل Si)، فإن اللوحة المكسوة بالنحاس من نيتريد الألومنيوم تحل بشكل فعال مشكلة الإدارة الحرارية لوحدة IGBT، وتقلل من الضغط الداخلي، وتحسن بشكل كبير من موثوقية الوحدة وعمر الخدمة لها، و تعتبر المادة الأساسية المثالية لتغليف أجهزة الطاقة الإلكترونية.

تتم مقارنة الخصائص الرئيسية للمواد الركيزة الخزفية الثلاثة بالتفصيل (كما هو موضح في الجدول 1). على الرغم من أن ركيزة الألومينا تتمتع بشعبية كبيرة، إلا أن مشكلة التوصيل الحراري غير الكافي وعدم تطابق معامل التمدد الحراري أصبحت بارزة بشكل متزايد، خاصة في الوحدات عالية الطاقة، مما قد يؤدي إلى زيادة الضغط الحراري ويؤثر على استقرار وعمر الوحدة. على الرغم من أن الأداء العام لركيزة نيتريد السيليكون متفوق، ولكنه محدود بالموصلية الحرارية الفعلية، فمن الصعب تلبية الطلب على الموصلية الحرارية العالية، ولا تزال عملية تسويقها تحتاج إلى وقت. في المقابل، أصبحت الألواح النحاسية المصنوعة من نيتنيتيد الألومنيوم مع الموصلية الحرارية العالية ومطابقة معامل التمدد الحراري الجيدة، هي المفتاح لحل مشكلة الإدارة الحرارية لوحدة IGBT، وليس فقط تسريع التوصيل الحراري، ولكن أيضًا تقليل الضغط الداخلي الناجم عن الاختلاف في التمدد الحراري، وبالتالي تحسين موثوقية ومتانة الوحدة.

باختصار، يعد اختيار المواد الأساسية الخزفية أمرًا بالغ الأهمية لأداء وحدات IGBT على المدى الطويل. من بين المواد الثلاث وهي الألومينا ونيتريد السيليكون ونيتريد الألومنيوم، تُظهر ألواح نيتريد الألومنيوم المكسوة بالنحاس مزايا كبيرة في حزم الوحدات عالية الطاقة نظرًا لخصائصها الحرارية الممتازة وتوافقها الجيد مع مواد أشباه الموصلات. في المستقبل، مع التقدم المستمر في علوم المواد وتحسين تكنولوجيا التحضير، من المتوقع أن تصبح ركائز سيراميك نيتريد الألومنيوم المواد الرئيسية لتعزيز تطوير كثافة طاقة أعلى وموثوقية أعلى في صناعة إلكترونيات الطاقة. لذلك، بالنسبة لسيناريوهات تطبيق محددة، يعد الاختيار المعقول لمواد الركيزة الخزفية ذا أهمية كبيرة لتحسين الأداء العام وإطالة عمر خدمة وحدات IGBT.