Silicon Nitridi Substrates Kwa Utendaji Bora wa Kielektroniki wa Nishati

2023-03-08

Power Electronics

Miundo mingi ya moduli za nguvu leo inategemea keramik iliyotengenezwa kwa oksidi ya alumini (Al2O3) au AlN, lakini mahitaji ya utendaji yanapoongezeka, wabunifu wanatafuta substrates nyingine. Katika programu za EV, kwa mfano, hasara za kubadilisha hupungua kwa 10% wakati halijoto ya chip inapotoka 150°C hadi 200°C. Zaidi ya hayo, teknolojia mpya za ufungaji kama vile moduli zisizo na solder na moduli zisizo na bondi ya waya hufanya substrates zilizopo kuwa kiungo dhaifu zaidi.

Jambo lingine muhimu ni kwamba bidhaa inahitaji kudumu kwa muda mrefu katika hali mbaya, kama zile zinazopatikana kwenye turbine za upepo. Makadirio ya maisha ya mitambo ya upepo chini ya hali zote za mazingira ni miaka kumi na tano, na hivyo kusababisha wabunifu wa programu hii kutafuta teknolojia bora zaidi za substrate.

Kuongezeka kwa matumizi ya vijenzi vya SiC ni jambo la tatu linaloendesha njia mbadala za substrate zilizoimarishwa. Kwa kulinganisha na moduli za kawaida, moduli za kwanza za SiC zilizo na ufungaji bora zilionyesha kupunguzwa kwa hasara kwa asilimia 40 hadi 70, lakini pia zilionyesha umuhimu wa mbinu za ubunifu za ufungaji, ikiwa ni pamoja na substrates za Si3N4. Mielekeo hii yote itawekea kikomo utendakazi wa siku zijazo wa substrates za kitamaduni za Al2O3 na AlN, ilhali substrates zinazotegemea Si3N4 zitakuwa nyenzo za chaguo kwa moduli za nguvu za utendaji wa juu za siku zijazo.

Silicon nitridi (Si3N4) inafaa kwa substrates za elektroniki za nguvu kwa sababu ya uimara wake wa hali ya juu wa kupinda, ushupavu wa juu wa mivunjiko, na upitishaji wa juu wa mafuta. Vipengele vya kauri na ulinganisho wa vigeu muhimu, kama vile kutokwa kwa sehemu au uundaji wa ufa, vina athari kubwa kwa tabia ya mwisho ya mkatetaka, kama vile upitishaji joto na tabia ya baiskeli ya mafuta.

Uendeshaji wa joto, nguvu ya kupinda, na ugumu wa kuvunjika ni sifa muhimu zaidi wakati wa kuchagua nyenzo za kuhami joto za moduli za nguvu. Conductivity ya juu ya mafuta ni muhimu kwa uharibifu wa haraka wa joto katika moduli ya nguvu. Nguvu ya kupiga ni muhimu kwa jinsi substrate ya kauri inashughulikiwa na kutumika wakati wa mchakato wa ufungaji, wakati ugumu wa fracture ni muhimu kwa kufikiri jinsi itakuwa ya kuaminika.

Conductivity ya chini ya mafuta na maadili ya chini ya mitambo yana sifa ya Al2O3 (96%). Hata hivyo, hali ya hewa ya joto ya 24 W/mK inatosha kwa matumizi mengi ya kawaida ya viwandani ya siku hizi. Conductivity ya juu ya mafuta ya AlN ya 180 W/mK ni faida yake kubwa, licha ya kuegemea wastani. Haya ni matokeo ya ushupavu wa Al2O3 wa kuvunjika kwa kiwango cha chini na nguvu inayolingana ya kuinama.

Kuongezeka kwa mahitaji ya kutegemewa zaidi kulisababisha maendeleo ya hivi majuzi katika kauri za ZTA (zirconia toughened alumina). Keramik hizi zina nguvu kubwa zaidi ya kuinama na ugumu wa kuvunjika kuliko vifaa vingine. Kwa bahati mbaya, conductivity ya mafuta ya keramik ya ZTA inalinganishwa na ile ya kiwango cha Al2O3; kwa sababu hiyo, matumizi yao katika matumizi ya nguvu ya juu na msongamano wa juu zaidi ya nguvu ni vikwazo.

Wakati Si3N4 inachanganya conductivity bora ya mafuta na utendaji wa mitambo. Uendeshaji wa joto unaweza kutajwa kwa 90 W/mK, na ugumu wake wa kuvunjika ni wa juu zaidi kati ya keramik ikilinganishwa. Sifa hizi zinaonyesha kuwa Si3N4 itaonyesha kuegemea zaidi kama substrate ya metali.