Si3N4 的固有材料特性意味著它的熱導(dǎo)率可能超過200 W/mK。但是，目前可用的Si3N4 陶瓷原料的導(dǎo)熱率受多種因素的限制，包括原材料的純度，尤其是氧含量控制、β- Si3N4顆粒方向和顆粒邊界處的玻璃相。現(xiàn)如今，在室溫條件下，商用產(chǎn)品的典型值在80到90 W/mK之間。
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Si3N4陶瓷原料基板的制造商正在努力提高導(dǎo)熱率。研究表明可以生產(chǎn)出導(dǎo)熱率達(dá)到177 W/mK的Si3N4陶瓷基板[1]。而且，已經(jīng)表明優(yōu)化的工藝條件可以提高厚度方向上的導(dǎo)熱率，這與水平方向截然不同[2]。這些努力取得成效。最新結(jié)果表明在室溫條件下，在110和130 W/mK之間的導(dǎo)熱率是可行的，不但是在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，而且在連續(xù)生產(chǎn)條件下亦是如此。另外，陶瓷基板的機(jī)械特性得到很好保持，同時(shí)抗彎強(qiáng)度的特征值保持在600-700 MPa。
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這些最新進(jìn)展為功率模塊設(shè)計(jì)帶來新的機(jī)遇。利用和現(xiàn)有功率模塊使用相同的陶瓷厚度，即可降低熱阻。因此，通過簡單的基板更換，模塊制造商即可提高現(xiàn)有模塊的輸出功率。無需重新設(shè)計(jì)封裝，無額外的加工成本。因?yàn)檠b配和互連技術(shù)保持不變，所以新解決方案能夠以非常高效的方式投放市場。
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另一方面，這些具有更高導(dǎo)熱率的基板的使用能夠減少芯片面積，從而節(jié)省芯片成本。這可能很有趣，尤其是對于碳化硅（SiC）模塊，這是因?yàn)镾iC裝置比硅制器件貴得多，所以成為這種模塊的主要成本因素。另外，SiC技術(shù)可能在未來幾年取得重大進(jìn)步。人們可能期望新一代的具有更低漏極到源極電阻系數(shù)的更小芯片能夠盡快上市。在這種情況下，陶瓷的高導(dǎo)熱率能夠補(bǔ)償芯片的小面積。
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最后，無需縮短模塊的使用壽命即可實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。高導(dǎo)熱率不但會(huì)限制芯片節(jié)點(diǎn)溫度的溫升，而且當(dāng)基板裸露且必須經(jīng)得住惡劣的熱循環(huán)條件時(shí)，優(yōu)良的機(jī)械特性也是有益的。
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作為金屬化陶瓷基板的市場和技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，羅杰斯很快發(fā)現(xiàn)了發(fā)揮這種創(chuàng)新產(chǎn)品的商業(yè)和技術(shù)潛力的機(jī)遇。羅杰斯目前能夠?yàn)槠鋸V大客戶群，提供具有更高熱性能的 Si3N4 AMB基板。雖然正在進(jìn)行最終鑒定，已經(jīng)可以獲得首批樣品進(jìn)行客戶評(píng)估。另外，可以進(jìn)行熱模擬，了解對于您的應(yīng)用該基板具有的潛在優(yōu)勢。
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作為對日益增加的市場需求的響應(yīng)，我們目前正在擴(kuò)大我們的AMB生產(chǎn)能力，從一個(gè)單一供應(yīng)商擴(kuò)大到能夠在全球范圍提供最大可用生產(chǎn)能力的供應(yīng)商。羅杰斯利用其curamik?品牌，已致力于電力電子行業(yè)將近40年，且做好應(yīng)對未來幾十年挑戰(zhàn)的準(zhǔn)備。
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[1] Kusano et al.: High thermal conductivity silicon nitride substratesfor power semiconductor applications (PCIM Europe 2016)
[2] Okuno et al.: Si3N4?substrates with anisotropic thermal conductivity suitable for power moduleapplications (PCIM Europe 2021)
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（羅杰斯先進(jìn)電子解決方案）：技術(shù)文章 | 通過高效能氮化硅(Si3N4) AMB來降低系統(tǒng)總成本
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