IGBT-Module von New Energy Vehicles (NEV) sind hoher Leistung, starken Vibrationen, großen Temperaturschwankungen und rauen Umgebungen ausgesetzt. Mit dem AMB-Verfahren hergestellte Keramiksubstrate aus Siliziumnitrid (Si₃N₄) bieten eine hohe Wärmeleitfähigkeit, einen geringen Wärmewiderstand, eine hohe Zuverlässigkeit und eine hervorragende Kupferschichthaftung. Diese Eigenschaften beheben die thermischen und Zuverlässigkeitsengpässe von Hochleistungs-SiC-Geräten und machen Si₃N₄ zum bevorzugten Substrat für die Verpackung von IGBT- und SiC-Modulen. Über den Automobilbereich hinaus sind Si₃N₄-Substrate vielversprechend in der Luft- und Raumfahrt, in Industrieöfen, Traktionssystemen und intelligenter Elektronik.
Warum sich Siliziumnitrid für NEV-Anwendungen eignet
1. Ausreichende Wärmeleitfähigkeit für Hochleistungsgeräte
----Si₃N₄: 80–120 W/(m·K) – erfüllt vollständig den NEV-IGBT-Kühlbedarf
----Al₂O₃: 20–35 W/(m·K) – unzureichend für Hochleistungsmodule
----AlN: 150–220 W/(m·K) – ausgezeichnete Leitfähigkeit, aber spröde und teuer
Für NEV-Leistungsdichten bietet Si₃N₄ ein optimales Gleichgewicht zwischen thermischer Leistung und Kosten.
2. Überlegene Stärke und Zähigkeit
----Si₃N₄: Biegefestigkeit 700–900 MPa, ausgezeichnete Zähigkeit
----Al₂O₃: 300–400 MPa, spröde
----AlN: 250–350 MPa, extrem spröde
NEVs sind Vibrationen, Stößen, schneller Beschleunigung und Temperaturschocks ausgesetzt. Si₃N₄-Substrate widerstehen Rissbildung und Delaminierung und gewährleisten so die Modulzuverlässigkeit.
3. Die Wärmeausdehnung passt zu Siliziumchips
----Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Si₃N₄ entspricht weitgehend dem von Silizium- und IGBT-Chips. Während des Schnellladens oder Hochgeschwindigkeitsfahrens verhindert es eine Delaminierung des Lots oder einen Drahtbruch, der durch thermische Zyklen verursacht wird.
4. Hohe Temperatur-, Alterungs-, Feuchtigkeits- und Korrosionsbeständigkeit
----Motorräume sind rauen Bedingungen ausgesetzt: hohe Temperaturen, Feuchtigkeit, Öl und Vibrationen. Die Oxidationsbeständigkeit, Thermoschocktoleranz und elektrische Isolierung von Si₃N₄ verlängern die Lebensdauer des Substrats um das Zwei- bis Dreifache im Vergleich zu Alternativen und reduzieren so Garantierisiken.
5. Optimale Kosten-Leistung für die Massenproduktion
----AlN ist teuer, Al₂O₃ ist leistungsschwach; Si₃N₄ bietet die richtige Balance aus hoher Leistung, Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz. Führende Hersteller wie BYD, CATL, Inovance und StarPower setzen zunehmend Si₃N₄-Substrate im großen Maßstab ein.
Abschluss
NEVs erfordern leistungsstarke, zuverlässige, vibrationsbeständige und schnell{2}aufladbare-fähige Substrate. Siliziumnitrid bietet eine hohe Wärmeleitfähigkeit, überlegene Festigkeit, geringe Wärmeausdehnung, Schlagfestigkeit und eine lange Lebensdauer-und überwindet die Einschränkungen von Al₂O₃ und AlN und ist damit die optimale Wahl für Leistungsmodule in der Automobilindustrie.
Branchenausblick
AMB--Prozess-Si₃N₄-Substrate sind komplex und kostspielig, mit begrenzten Lötmöglichkeiten, was die Produktion schwieriger macht als DBC oder DPC. Derzeit ist der globale AMB-Si₃N₄-Markt klein. Da IGBT- und SiC-Geräte jedoch zu höherer Leistung und Miniaturisierung tendieren, wird erwartet, dass die Nachfrage nach Si₃N₄-Substraten erheblich steigen wird.
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