【产品】适用电力电子解决方案的先进氮化硅基板材料

时间： 2018-07-07 来源：Bodos功率系统

技术问答

现今的功率模块设计主要基于氧化铝（Al2O3）或氮化铝（AlN）陶瓷材料。但是，随着对功率模块的性能要求日益提高，越来越多的设计者开始考虑使用先进基板材料作为替代。其中的一个例子是新能源汽车（xEV）的应用，当其芯片温度从150°C上升到200°C时，其开关损耗会降低10%。此外，焊接和无引线模块等新的封装技术使现有基板成为了木桶的短板。

另外一个非常重要的推动因素，是需要增加恶劣环境下的使用寿命。这里我们以风力涡轮机为例。在所有环境条件下，风力涡轮机的预期使用寿命为15年，期间不会发生故障。因此，风力涡轮机的设计者也在试图改进基板技术。改进基板产品的第三大驱动力是对碳化硅部件（SiC）的使用。与传统模块相比，首批使用碳化硅和优化封装技术的模块降低了40%到70%的损耗，但后者需配合使用氮化硅（Si3N4）基板等新型封装方式。上述趋势将限制传统氧化铝和氮化铝基板在未来的使用，而罗杰斯（ROGERS）基于氮化硅的基板将成为未来高性能功率模块设计者的不二之选。

杰出的抗弯强度、较高的断裂韧性和优秀的热导率使氮化硅非常适合生产电力电子领域适用的基板产品。陶瓷的特性以及对局部放电或裂纹增长等关键值的详细比较表明，其对基板热导率和热循环表现等表现有重大影响。

氮化硅与其它陶瓷材料的比较
为功率模块选择绝缘材料时，需要考虑的材料特性主要包括热导率、抗弯强度和断裂韧性。高热导率对功率模块的快速散热至关重要。同时，抗弯强度对于陶瓷基板在封装流程中的处理和使用非常重要，而断裂韧性是预测可靠性的关键。

氧化铝（96%）拥有低热导率和低机械值。但是，24 W/mK的热导率足以应对当今的大部分标准工业应用。氮化铝的最大优势是具有极高的热导率（180 W/mK），但其可靠性仅为适中。这是因为氮化铝的断裂韧性较低，而抗弯强度又与氧化铝类似。

鉴于对更高可靠性的需求日益增加，氧化锆增韧氧化铝（ZTA）陶瓷材料应运而生。这类陶瓷材料拥有更高的抗弯强度和断裂韧性，但其热导率与标准氧化铝不相上下。因此，前者在最高功率密度的大功率应用中的使用有限。

一项比较表明，氮化硅完美地融合了高热导性和高机械性能。其热导率可被指定为90 W/mK。此外，在所有进行比较的陶瓷材料中，氮化硅陶瓷材料的断裂韧性最高（6,5-7 [MPa / √m ]）。氮化硅的这些特性预计将使其将成为最可靠的金属化基板。

可靠性

我们采用了被动热循环方法，对多种不同金属化基板进行了可靠性检测。表2中列出了所有基板组合。所有组合均使用了相同设计，包括相同的铜厚度（d(Cu)=0.3 mm）。此外没有使用蚀坑或梯度蚀刻等其它设计特点来提高可靠性。检测条件如下：

双腔检测系统
导热系数=205 K（-55°C至+150°C）
暴露时间：15 min
倾斜升温时间<10 s

此外，还通过超声显微镜检查了不同样本，以检测分层和贝壳状破裂：

氧化铝、9%氧化锆增韧氧化铝和氮化铝直接键合铜基板：每循环5次后
氮化硅活性金属钎焊（AMB）：每循环50次后

贝壳状破裂是温度循环中的一种典型失效模式，且在氧化铝、9%氧化锆增韧氧化铝和氮化铝直接键合铜基板中均有检测到。一般而言，贝壳状破裂出现的原因是铜和陶瓷在温度改变时的热膨胀系数不同。

在35次热循环中，氮化铝直接键合铜基板的可靠性最差。在所有陶瓷材料中，氮化铝直接键合铜基板测得的断裂韧性最低（K1C=3-3,4 [MPa /√m]），这可以解释上述发现。氧化铝直接键合铜基板在55次循环后得到的结果与之非常接近。传统材料中，9%氧化锆掺杂直接键合铜基板的性能最佳，其可靠性是标准氧化铝材料的两倍（110次循环）。

在5000次循环后，氮化硅活性金属钎焊样本仍未检测出失效。与9%氧化锆增韧氧化铝直接键合铜基板相比，其可靠性提高了45倍。取得5000次热循环这一优异成果的原因是氮化硅的高断裂韧性（K1C=6,5-7 [MPa / √m ]），虽然其抗弯强度略低于9%氧化锆掺杂（650 MPa和700 MPa）。

这一系列结果表明，制造金属化基板的陶瓷材料的抗弯强度并不是决定基板使用寿命的关键因素。对于可靠性预测，断裂韧性是最重要的陶瓷材料物理特性。

9%氧化锆掺杂直接键合铜基板和氮化硅活性金属钎焊失效机制的主要区别的超声图像。在5000多次循环后，在9%氧化锆增韧氧化铝陶瓷材料中已出现贝壳状破裂，而氮化硅陶瓷材料仍完好无损。

热性能：

以下测量了五组金属化基板样本的热阻系数（Rth）。

所有参与热阻系数分析的样本两侧均使用0.3 mm厚的铜层。不出所料，使用0.63 mm氧化铝的基板的热阻系数最高。这是因为氧化铝的热导率较低（24W/mK）。

0.32 mm9%氧化锆增韧氧化铝直接键合铜基板和0.32 mm氧化铝直接键合铜基板的热阻系数属于同一范围。

即使使用的陶瓷层厚度达到0.63 mm，热导率最高（180 W/mK）的氮化铝直接键合铜基板的热阻系数也还是最低。

氮化硅的热导率是氮化铝的一半（90W/mK），这也解释了为什么陶瓷厚度为一半的氮化硅活性金属钎焊，其热阻系数与氮化硅直接键合铜基板相同（氮化硅为0.32 mm，氮化铝为0.63 mm）。

高强度的氮化硅绝缘材料能够满足对于功率模块更长使用寿命和更高热力性能日益增长的需求。对氮化硅活性金属钎焊技术和传统9%氧化锆增韧氧化铝直接键合铜基板陶瓷材料的比较调查显示，氮化硅的可靠性是后者的50倍。氮化硅陶瓷材料更优秀的机械特性，特别是极高的断裂韧性（K1），有效地提高了其可靠性。此外，氮化硅更高的抗弯强度使其能被用于更薄的横截面，而其热性能堪比氮化铝。

作者：Manfred Goetz，资深产品市场经理，罗杰斯德国

发送到邮箱 |
+1 赞 0
收藏
评论 2
| 转发至：

本网站所有内容禁止转载，否则追究法律责任！

全部评论（2）

拿着橘子跑儿 Lv4. 资深工程师 2020-01-17

.
西安石头哥 Lv7. 资深专家 2018-12-26

确实厉害

没有更多评论了

【产品】最高可达44KW车载充电机新能源汽车配套磁性元件 | 视频

可立克项目经理刘谷平介绍了可立克磁性元件在新能源汽车中OBC车载充电机，DC-DC变换器等应用，展示了可立克车载磁性元件的高标准要求，整机最高效率可达98%以上，给出了全面的定制化磁性元件解决方案。

新产品发布时间 : 2021-11-24

【IC】罗姆新推隔离型DC-DC转换器BD7Fx05EFJ-C，实现xEV应用小型化，减少降噪设计工时

ROHM开发出两款隔离型反激式DC-DC转换器BD7F105EFJ-C和BD7F205EFJ-C，非常适用于xEV的主驱逆变器、车载充电器、电动压缩机以及PTC加热器等应用中配备的栅极驱动器的驱动电源，有助于降低辐射噪声的展频功能，减少降噪设计工时。

新产品发布时间 : 2022-12-08

新能源汽车解决方案——速度高达150M的业界最快BMS数字隔离器

世强能够提供完整的新能源汽车整体解决方案，涵盖厂牌器件就包括RENESAS、Melexis、Littelfuse、RICOH、Silicon Labs、KYOCERA、UMS、ROGERS等，全品类器件供应，如MCU，汽车级电流传感器，隔离器件，保护器件，电源管理芯片、显示器件，汽车级电容，汽车级电感等，推荐 Silicon Labs芯科新能源汽车隔离器，BMS数字隔离器Si86xx。

新产品发布时间 : 2018-07-30

【应用】浅谈直接键合铜（DBC）和活性金属钎焊（AMB）陶瓷基板在多种领域的应用

Al2O3和掺杂氧化锆的Al2O3 DBC基板足以满足60V以下的低压应用，例如轻度混合动力汽车中的皮带起动发电机。尽管随着电气化水平的提高，输出功率要求以及功率密度、功率循环和鲁棒性要求均不断提高。因此，需要新的材料和接合技术来改善功率半导体器件的散热。氮化硅（Si3N4）AMB基板是这类应用的完美选择。但Si3N4的热导率远高于Al2O3。

应用方案发布时间 : 2020-11-19

Temporary Lead Time Extension for Products Made in Rogers Suzhou Factory

型号- RO4830™,RO4535™,KAPPA® 438,DICLAD880™,RO4533™,RO4000™,DICLAD®,RO3003G2™,RO3035™,RO3003™,RO4003C™,RO4835™,RO3003G2™ PM,TC350™,RO4534™,RO4730G3™ R2,RO4835T™,RO4233™,RO4350B™,RO3006™,AD255™,AD300™,RO3010™,RO3000™,TC350™ PLUS

产品变更通知及停产信息 - ROGERS - April 9th, 2024 PDF 英文下载

Rogers Suzhou Factory Scheduled Downtime for Carbon Footprint Reduction Project

产品变更通知及停产信息 - ROGERS - March 1st, 2024 PDF 英文下载

【元件】采用自主设计封装，绝缘电阻显著提高！ROHM开发出支持更高电压xEV系统的SiC肖特基势垒二极管

ROHM开发出引脚间爬电距离更长、绝缘电阻更高的表面贴装型SiC肖特基势垒二极管。目前产品阵容中已经拥有适用于车载充电器（OBC）等车载设备应用的“SCS2xxxNHR”8款机型。计划2024年12月再发售8款适用于FA设备和光伏逆变器等工业设备的“SCS2xxxN”。

产品发布时间 : 2024-11-13

【经验】如何选择合适介电常数的Rogers高频板材？

在选择板材rogers高频板材时，最关注的指标是介电常数。但也有一部分工程师对介电常数理解的比较片面，在选择rogers高频板材时，会遇到一些问题，通过本文讲解，可以更好的帮助工程师快速准确的选择合适介电常数的板材。介电常数和频率相关，同一种板材的不同厚度有时会有一定差异。rogers板材的范围1.96（RT/duriod 5880LZ）-13(TMM13i)。

设计经验发布时间 : 2018-08-19

华日轻金（苏州）精密配件是日本轻金属集团在中国全资投资的核心子公司之一，主要的业务范围为铝合金零件的开发、生产与销售，为客户提供汽车功率模块散热器、IGBT散热器、动力电池水冷板，底盘悬架零部件以及天窗导轨等，各种用于汽车的产品，并从最初的设计研发直到产品量产，为客户提供一站式服务。

功率模块散热器 IGBT散热器动力电池水冷板功率模块冷却器 IGBT冷却器动力电池冷却板新能源汽车功率模块散热器新能源汽车动力电池水冷板汽车ABS刹车用部品汽车天窗导轨汽车保险杠缓冲器部品汽车底盘部品

授权代理商 - 世强先进（深圳）科技股份有限公司线上商城技术资料

展开

中国新能源汽车几何式发展，瑞之辰布局SiC市场

近年来，中国新能源汽车市场发展迅猛。根据中汽协数据显示，2023年，中国新能源汽车销量达到了949.5万辆，同比增长37.9%。预计2024年，中国新能源汽车销量可能将达到1200-1300万辆，并占据全球新能源汽车总销量的约60%。新能源汽车的迅猛发展，倒推车规级碳化硅SiC功率器件的需求也呈井喷式增长。深圳瑞之辰率先察觉这一趋势，早已布局SiC（碳化硅）领域，正发力推动行业高质量发展。

行业资讯发布时间 : 2024-11-01

大族电机（HANS MOTOR）新能源汽车电机选型指南

描述- 深圳市大族电机科技有限公司是大族激光(股票代码：002008)的全资子公司，是集研发、生产和销售为一体的国家级高新技术企业。公司自2005年成立以来，致力于直驱电机系统的研发和应用，得到了广大客户的支持和信赖，是国内直驱电机的领先者。并于2016年开始研发制造新能源汽车驱动电机及控制器主要产品有永磁同步电机，开关磁阻电机，直流无刷电机，交流异步电机，及控制器。产品实现了系列化，标准化。

型号- ACAM175125N06AA,PMSMI155072N04AA,PMSMI168120N06AA,PMSMI168080N06AA,ACAM155110N06AA,BLDCI132056N05AA,PMSMI155050N06AA,PMSMI168100N06AA,ACAM155120N06AA,ACAM155100N06AA

选型指南 - 大族电机 - 2021/5/24 PDF 中文下载

NOVOSENSE Automotive Solution Enable the Electrification and Intellectualization of xEV

型号- NSL23916-Q1,NSI1311,NSI6601,NSI7258,NPC060N065A,NCA8244,NSM2017,NSM2019,NSM2013,NSI22C11,NSM2015,NSM2011,NSR33XXX,NSC9262,NSI1300,NSC9264,NSREF31XX,NSI1306,NSR2240X,NPS0X0N065A,NSP1830,NCA1169,NCA1044,NCA1043,NSR7808,NSOPA240X,NSE11409,NSP1831,NSC9260X,NSP1832,NSM2020,NSL2161X-Q1,NSD8306,NSOPA8XXX,NSD731X,NSD8308,NSI67XX,NSD1026V,NSE34050,NSL31682-Q1,NSCSA24X,NSL21912-Q1,NSI6622V,NSPDC1,NSR31XXX,NCA1021S,NSD8310,NSD1624,NSD8312,NPI030N065A,NSR104XX,NSI6651,NSD11416,NSI22C12,NCA1051A,NSUC1602,NCA1462,NSD8381,NSD56008,NSM3011,NSPADX,NSM3013,NSM3012,NSI6801,NST60-Q1,NSUC1610,NSI824X,NCA9539,NST175-Q1,NSR7850,NST175,NSM203X,NSIP605X,NSIP3266-Q1,NSOPA9XXX,NSI6911,NST86-Q1,NSP1631,NSD12409,NSP1632,NSPASX,NSP1630,NSE425X,NSM1013,NPI040N120A,NSL23924-Q1,NCA9555,NSI822X,NSA9264,NCA1042B,NSD12416,NSA9260X,NSPGM2,NSM2117,NSPGM1,NSI6602V,NSD3608,NSM2113,NSM2115,NSD3604,NSL31520-Q1,NSL2163X-Q1,NSR35XXX,NST20,NSREF30XX,NPC0X0N120A,NSI1200,NSI6611,NSPAS1,NSPAS3,NCA1145,NST235-Q1,NSCSA21X,NCA1043B,NSE5702,NSI6601M,NSE5701,NSR114XX,NSR1048,NSL23716X-Q1,NSM1030

应用及方案 - 纳芯微电子 - April 2024 PDF 英文下载查看更多版本