В настоящее время растущий спрос на защиту окружающей среды и энергосбережение привлек внимание к отечественным электромобилям, работающим на новых источниках энергии. Пакетные устройства высокой мощности играют решающую роль в регулировании скорости транспортного средства и хранении, преобразовании переменного и постоянного тока. Высокочастотное термоциклирование предъявляет строгие требования к рассеиванию тепла электронной упаковки, в то время как сложность и разнообразие рабочей среды требуют, чтобы упаковочные материалы обладали хорошей термостойкостью и высокой прочностью, чтобы играть вспомогательную роль. Кроме того, с быстрым развитием современной технологии силовой электроники, которая характеризуется высоким напряжением, большим током и высокой частотой, эффективность рассеивания тепла силовыми модулями, применяемыми в этой технологии, стала более важной. Керамические материалы подложки в электронных упаковочных системах являются ключом к эффективному рассеиванию тепла, они также обладают высокой прочностью и надежностью в ответ на сложность рабочей среды. Основными керамическими подложками, выпускаемыми серийно и широко применяемыми в последние годы, являются Al2O3, BeO, SiC, Si3N4, AlN и др.
Керамика Al2O3 играет важную роль в производстве подложек для рассеивания тепла благодаря простому процессу подготовки, хорошей изоляции и стойкости к высоким температурам. Однако низкая теплопроводность Al2O3 не может удовлетворить требования к разработке устройств высокой мощности и высокого напряжения, и она применима только к рабочей среде с низкими требованиями к рассеиванию тепла. Более того, низкая прочность на изгиб также ограничивает область применения керамики Al2O3 в качестве подложек для рассеивания тепла.
Керамические подложки BeO обладают высокой теплопроводностью и низкой диэлектрической проницаемостью, что отвечает требованиям эффективного отвода тепла. Но он не способствует широкомасштабному применению из-за своей токсичности, от которой страдает здоровье работающих.
Керамика AlN считается подходящим материалом для подложки для рассеивания тепла из-за ее высокой теплопроводности. Но керамика AlN имеет низкую стойкость к тепловому удару, легкое расслаивание, низкую прочность и ударную вязкость, что не способствует работе в сложных условиях, и трудно обеспечить надежность приложений.
Керамика SiC обладает высокой теплопроводностью, из-за высоких диэлектрических потерь и низкого напряжения пробоя она не подходит для применения в условиях высокой частоты и напряжения.
Si3N4 признан лучшим керамическим материалом подложки с высокой теплопроводностью и высокой надежностью в стране и за рубежом. Хотя теплопроводность керамической подложки Si3N4 немного ниже, чем у AlN, ее прочность на изгиб и вязкость разрушения могут более чем в два раза превышать показатели AlN. Между тем, теплопроводность керамики Si3N4 намного выше, чем у керамики Al2O3. Кроме того, коэффициент теплового расширения керамических подложек Si3N4 близок к коэффициенту теплового расширения кристаллов SiC, полупроводниковой подложки 3-го поколения, что позволяет ей более стабильно сочетаться с кристаллическим материалом SiC. Это делает Si3N4 предпочтительным материалом для подложек с высокой теплопроводностью для силовых полупроводниковых устройств SiC 3-го поколения.
