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        【原創(chuàng)】新能源汽車IGBT封裝材料的新星——氮化硅陶瓷基板


        來源:中國粉體網(wǎng)   星耀

        [導(dǎo)讀]  近年來,Si3N4陶瓷基板以其硬度高、機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫和熱穩(wěn)定性好、介電常數(shù)和介質(zhì)損耗低、耐磨損、耐腐蝕等優(yōu)異的性能,被認(rèn)為是綜合性能最好的陶瓷材料,在IGBT模塊封裝中得到青睞,并逐步替代Al2O3和AlN陶瓷基板。

        中國粉體網(wǎng)訊  新能源車的電機(jī)驅(qū)動部分,最核心的元件就是IGBT。IGBT約占電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)成本的一半,而電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)占整車成本的15-20%,也就是說IGBT占整車成本的7-10%,是除電池之外成本第二高的元件,IGBT的質(zhì)量很大一部分也決定了整車的能源效率。


         

        圖片來源:比亞迪官網(wǎng)


        IGBT全稱為絕緣柵雙極型晶體管,電動汽車用IGBT模塊的功率導(dǎo)電端子需要承載數(shù)百安培的大電流,對電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率有較高的要求,車載環(huán)境中還要承受一定的振動和沖擊力,機(jī)械強(qiáng)度要求高。近年來,Si3N4陶瓷基板以其硬度高、機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫和熱穩(wěn)定性好、介電常數(shù)和介質(zhì)損耗低、耐磨損、耐腐蝕等優(yōu)異的性能,被認(rèn)為是綜合性能最好的陶瓷材料,在IGBT模塊封裝中得到青睞,并逐步替代Al2O3和AlN陶瓷基板。


        1 氮化硅陶瓷基板性能優(yōu)勢


        目前市場上所用的陶瓷材料主要有氮化鋁、氧化鋁和氮化硅。相較于氧化鋁和氮化鋁,氮化硅陶瓷具有更卓越的力學(xué)性能;同時還具備較高的熱導(dǎo)率以及極好的熱輻射性和耐熱循環(huán)性。采用氮化硅陶瓷作為基板,能夠確保電路板具有較大的撓度、抗折斷強(qiáng)度、抗熱震性和熱傳導(dǎo)性,從而保證大功率模塊在使用過程中可靠性,優(yōu)異的性能使氮化硅成為一種優(yōu)異的電子封裝基板材料。


         

        氮化硅基片(圖片來源:中材高新氮化物陶瓷有限公司)


        氮化硅陶瓷基板更適用于機(jī)械振動大、熱沖擊大、電流沖擊大以及具有高可靠性高穩(wěn)定性要求的應(yīng)用場合,如航天航空、軌道交通、電動汽車、光伏逆變、智能電網(wǎng)等。


        2 氮化硅陶瓷基板的研究現(xiàn)狀


        氮化硅陶瓷基板憑其優(yōu)異性能吸引了眾多國內(nèi)外學(xué)者與研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。Kitayama等人于2000年發(fā)現(xiàn)氧擴(kuò)散進(jìn)Si3N4晶格對于其熱導(dǎo)率影響很大,所以低氧含量是提高氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率的關(guān)鍵


        近年來,上海硅酸鹽研究所、清華大學(xué)等制備的氮化硅陶瓷熱導(dǎo)率最高可達(dá)154W·m-1·K-1左右,也歸因于使用氧含量較低的氮化硅粉體原料。然而高質(zhì)量氮化硅粉的制備方法相對復(fù)雜,成本較高,這大大限制了氮化硅粉直接制備氮化硅陶瓷基板的產(chǎn)業(yè)化研究。


        然而,Zhou等利用硅粉氮化的方法制備了熱導(dǎo)率高達(dá)177W·m-1·K-1的氮化硅陶瓷。另外,隨著太陽能技術(shù)的發(fā)展,高純硅粉制備技術(shù)也已經(jīng)非常成熟,粉體氧含量可以控制在較低水平。因此,采用高純硅粉制備氮化硅陶瓷基板逐漸成為一條可行的途徑。


        為了進(jìn)一步降低成本和提高性能,采用高純硅粉流延后直接氮化燒結(jié)被業(yè)界公認(rèn)為是較為合理的低成本技術(shù)路線。


        然而,硅和氮之間的反應(yīng)是一個放熱反應(yīng)過程。由于在反應(yīng)過程中產(chǎn)生大量的熱量,很容易引發(fā)硅的熔化(熔硅)。再則,由于陶瓷基板的尺寸大(大于100mm×100mm),厚度。s0.32mm),而純硅粉在氮化過程中,如果控制不當(dāng),而出現(xiàn)“熔硅”,更容易導(dǎo)致具有薄片狀特征的氮化硅陶瓷基板產(chǎn)生變形和開裂。為了實現(xiàn)較快速度氮化的同時,避免熔硅現(xiàn)象的出現(xiàn),保證氮化硅陶瓷基板的高良品率,可以通過對催化劑和燒結(jié)助劑的研究,尋找合適的添加劑,另一方面,還可以采取硅粉結(jié)合氮化硅粉的方式制備氮化硅。由于硅粉氮化大量放熱,在硅粉中加入氮化硅作為稀釋劑,抑制熔硅的同時,也促進(jìn)了硅粉氮化。


        3 氮化硅陶瓷基片制備工藝


        3.1成型工藝


        常見的氮化硅陶瓷基板成型方式主要有軋膜成型、干壓成型、擠壓成型、熱壓(燒結(jié))成型、流延成型等。目前,商業(yè)用途的氮化硅陶瓷基板的厚度范圍是0.3~0.6mm,為了實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)氮化硅陶瓷基板材料,通常選用流延成型制備氮化硅陶瓷基板材料,其工藝流程圖如下圖。


         

        流延成型工藝流程圖


        先在陶瓷粉體中加入分散劑球磨,避免顆粒團(tuán)聚,并使溶劑(一般分為水基溶劑或有機(jī)溶劑)潤濕粉體;然后加入粘結(jié)劑增塑劑,通過一定時間的二次球磨獲得穩(wěn)定性好、均一的漿料;再將漿料進(jìn)行真空脫泡,獲得黏度合適的漿料;經(jīng)過過濾以及一定時間的靜置陳化,使?jié){料更穩(wěn)定;通過流延機(jī)流延成具有一定面積的平整素坯膜;最后進(jìn)行干燥,使溶劑蒸發(fā),粘結(jié)劑在陶瓷粉末之間形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),得到厚膜生坯。


        流延成型也可以控制晶粒定向排列,促進(jìn)晶粒定向生長,從而提高在晶粒生長方向的熱導(dǎo)率。流延成型因其成本低、工藝穩(wěn)定性高、成品率高被廣泛應(yīng)用于薄片陶瓷的制造。


        雖然流延成型相比于其他成型工藝有著獨特的優(yōu)勢,但是在實際操作中由于應(yīng)力的釋放機(jī)制不同,容易使流延片干燥時出現(xiàn)彎曲、開裂、起皺、厚薄不均勻等現(xiàn)象。為了制備出均勻穩(wěn)定的流延漿料和干燥后光滑平整的流延片,在保持配方不變的情況下,需要注意漿料的潤濕性、穩(wěn)定性和坯片的厚度等因素。


        3.2 燒結(jié)工藝


        Si3N4陶瓷是一種強(qiáng)共價鍵化合物,很難通過固相燒結(jié)達(dá)到致密,所以一般采用液相燒結(jié)來制備。對于高性能Si3N4陶瓷的制備而言,最首要的是使其在燒結(jié)過程中達(dá)到致密。Si3N4陶瓷材料常見的燒結(jié)方式有常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)、燒結(jié)反應(yīng)重?zé)Y(jié)、氣壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)等幾種。


        氣壓燒結(jié)(GPS)能在氮氣的氛圍中通過加壓、加熱使氮化硅迅速致密,促進(jìn)α→β晶型的快速轉(zhuǎn)變,有助于提高氮化硅陶瓷的熱導(dǎo)率。放電等離子燒結(jié)(SPS)工藝是一種實現(xiàn)壓力場、溫度場、電場共同作用的試樣燒結(jié)方式,具有升溫速率快、燒結(jié)溫度低、燒結(jié)時間短等優(yōu)點。燒結(jié)反應(yīng)重?zé)Y(jié)(SRBSN)由于是以Si粉為原料經(jīng)過氮化得到多孔的Si3N4燒結(jié)體,進(jìn)而再燒結(jié)形成致密的氮化硅陶瓷,比一般以商用α-Si3N4為原料制備的氮化硅陶瓷具有更低的氧含量而受到研究者的青睞。在實現(xiàn)氮化硅陶瓷大規(guī)模生產(chǎn)時,需要考慮成本、操作難易程度和生產(chǎn)周期等因素,因此找到一種快速、簡便、低成本的燒結(jié)工藝是關(guān)鍵。


        4 氮化硅基板產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展


        目前我國的商用高導(dǎo)熱Si3N4陶瓷基片與國外還是存在差距。現(xiàn)在國內(nèi)還沒有企業(yè)真正完成氮化硅基板產(chǎn)業(yè)化,各高校、研究院所和企業(yè)都在積極的進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化研究,目前實驗室研制的Si3N4基板已達(dá)到或接近日本產(chǎn)品水平,國內(nèi)多家企業(yè)正在加快產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。同時,由于Si3N4基板還需要進(jìn)行覆銅處理以及應(yīng)用端考核,因此國內(nèi)Si3N4基板要達(dá)到應(yīng)用化水平還有一段距離。


        中材高新氮化物陶瓷有限公司(以下簡稱“中材高新氮化物公司”)在“十三五”國家重點研發(fā)計劃支持下,系統(tǒng)研究并突破了高導(dǎo)熱Si3N4基板制備的技術(shù)關(guān)鍵和工程化技術(shù)問題,通過Si3N4粉體改性處理、晶格氧含量及晶界相控制、微觀組織定向排布等多種技術(shù)組合,以及突破了材料均化、成型、燒結(jié)、表面處理及覆銅除了等多個制備工藝技術(shù),研制出及高導(dǎo)熱、高可靠性于一體綜合和性能優(yōu)異的半導(dǎo)體絕緣基板材料,建立起年產(chǎn)10萬片(114mm×114mm)中試生產(chǎn)線。


        參考來源:

        【1】張偉儒.第3代半導(dǎo)體碳化硅功率器件用高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板最新進(jìn)展.新材料產(chǎn)業(yè).2021.

        【2】廖圣俊,等.高導(dǎo)熱氮化硅陶瓷基板研究現(xiàn)狀.材料導(dǎo)報.2020.

        【3】李文杰.硅粉原位氮化結(jié)合氮化硅粉制備氮化硅陶瓷及基板.2018.

        【4】斯利通陶瓷線路板《氮化硅陶瓷基板應(yīng)用——新能源汽車核心IGBT》.2021.

        (中國粉體網(wǎng)編輯整理/星耀)

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        作者:星耀

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